Fundición

Proceso mediante el cual se obtiene un objeto de una forma determinada partiendo de un material fundido. El

proceso de fundición trata de vaciar el metal fundido en un molde construido siguiendo la forma de la pieza a

manufacturarse, dejar que se enfríe y extraer el metal del molde. Los puntos importantes a tener en cuenta en el

proceso de fundición son:

Flujo del metal fundido en la cavidad del molde.

Velocidad de solidificación y enfriamiento del metal en el molde.

Influencia del tipo de material del molde.

Se utiliza para todas las variedades de metales, ferrosos o no ferrosos. Los plásticos funden pero difiere su rango de

temperatura y se lo denomina de otra forma. Para los cerámicos es complicado debido a su alta temperatura de

fusión, por ello se utilizan como materiales refractarios en el proceso de fundición. Se puede aplicar también a

materiales compuestos.

Ventajas:

Piezas de geometría compleja (bloc del motor).

Partes de forma neta que no requieren operaciones posteriores.

Gran variedad de tamaño.

Se puede realizar en cualquier material que pueda calentarse y pasar al estado líquido.

Algunos métodos de fundición pueden ser automatizados.

Desventajas:

Limitación en propiedades mecánicas como porosidad.

Baja precisión dimensional

Acabado deficiente de la superficie

Riesgo en la seguridad del trabajador y riesgo ambientales.

La fundición como proceso de producción, se lleva a cabo generalmente en una fundidora. Una fundidora es una

fábrica equipada para hacer moldes, fundir y manejar el metal en estado liquido, desempeñar los procesos de

fundición y limpieza de piezas terminadas.

Una consideración de importancia en el proceso es la transferencia de calor durante el ciclo completo de vaciado

hasta la solidificación y enfriamiento a temperatura ambiente.

Proceso de fundición

Molde

El molde contiene una cavidad cuya forma geométrica determina la forma de la parte a fundir. La cavidad debe

diseñarse de forma y tamaño ligeramente sobredimensionado, esto permitirá la contracción del material durante la

solidificación y enfriamiento. Debido a que cada metal contrae distinto la cavidad debe diseñarse de acuerdo al metal

que se está fundiendo. Los procesos de fundición se clasifican según el tipo de molde. Los moldes pueden ser

desechables o permanentes.

En el desechable el molde debe ser destruido para remover la fundición, se utiliza cerámico, yeso o arena (más

utilizado), mantienen su forma usando aglomerantes. Se utiliza para moldes de formas complicadas.

El permanente se usa para producción en cantidad, se utiliza un metal o cerámicos refractarios. Consta de dos o más

secciones que pueden separarse para permitir la remoción de la fundición. Más común fundición en dado. Tiene

ventaja económica en operaciones de producción en cantidad.

1

El metal fundido es vaciado a través de un depósito en forma de copa (minimiza la turbulencia y salpicadura) y fluye a

través de un bebedero hacia el interior. Debido al enfriamiento se produce una contracción del material y esto

provoca un rechupe en la pieza fundida, para evitarlo se coloca una mazarota (abierta o cerrada) que le suministra

mayor cantidad de metal fundido y el rechupe aparece en la mazarota que luego es separada de la pieza y no

modifica las características de la pieza.

El molde también se puede clasificar si es abierto o cerrado. En molde abierto el metal se vacía hasta llenar la

cavidad abierta, mientras que en molde cerrado una vía de paso (sistema de vaciado) permite el flujo de material

fundido desde fuera del molde hacia la cavidad.

Operación de fundición

Las ecuaciones que rigen el proceso son las de Bernoulli y Continuidad. Se caliente el metal a una temperatura

suficientemente alta para transformarlo en estado líquido completamente, ligeramente superior a su punto de fusión.

La mayoría de metales de fundición son aleaciones que funden en un intervalo de temperaturas en lugar de un punto

único de fusión.

Después se vierte en la cavidad del molde, paso critico en el proceso. Los factores que afectan al vaciado son:

Temperatura de vaciado (Sobrecalentamiento=Temp .Vaciado−Temp .Solidificacion)

Velocidad de vaciado: Si es muy lenta se enfría antes de llenar la cavidad, si es rápida la turbulencia puede

convertirse en un problema serio.

Turbulencia: Tiende a acelerar la formación de óxidos metálicos degradando la calidad y erosiona el molde.

Tan pronto como el material comienza a enfriarse y la temperatura desciende lo suficiente, empieza la solidificación

que involucra un cambio de fase del metal. La solidificación involucra el regreso del material fundido al estado sólido,

esta difiere si es un metal puro o aleación. En los metales puros el proceso ocurre a una temperatura constante y en

un tiempo determinado (tiempo local de solidificación) durante el cual el calor latente escapa fuera del molde. Debido

a la acción refrigerante del molde se forma una delgada película inicial de metal solido en la pared, el espesor de esta

película aumenta y va creciendo hacia adentro conforme progresa la solidificación, la velocidad de enfriamiento

depende del calor que se transfiere en el molde y de las propiedades térmicas del material.

Crecimiento dendrítico: los granos de la película son finos y orientados aleatoriamente, al continuar el enfriamiento

los granos crecen hacia adentro pero en forma de agujas. Al agrandarse estas agujas se forman ramas laterales que

siguen creciendo.

Una vez que se ha enfriado lo suficiente se retira el molde, en algunos casos puede necesitarse procedimientos

posteriores dependiendo del método usado:

Desbaste del metal excedente.

Limpieza de la superficie

Inspección del producto

Tratamiento térmico para mejorar sus propiedades

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Maquinado.

Las aleaciones solidifican en un intervalo de temperaturas, el rango depende del sistema de aleación y de su

composición en particular. La solidificación progresa mediante la formación de dendritas al igual que en lo metales

puros, pero se forma una zona en donde el metal liquido y solido coexisten (zona blanda). Las aleaciones eutécticas

son una excepción del proceso de solidificación de aleaciones. La solidificación ocurre a una temperatura constante.

El tiempo de solidificación es función del volumen de la fundición y de su área superficial y se rige por la regla de

Chvorinov. T s=Cte ( VolumenArea Superficial )

n

Efectos de las velocidades de enfriamiento

Baja velocidad implica estructuras dendríticas gruesas con grandes espaciamientos entre brazos dendríticos

A alta velocidad la estructura se hace más fina con un menor espaciamiento entre brazos

Muy alta velocidad, se desarrollan estructuras amorfas

Defectos en la fundición

Pueden ser minimizados o eliminados con un diseño apropiado de los moldes y el control del vaciado.

1. Proyecciones metálicas: aletas o rebabas

2. Cavidades: sopladuras, porosidad y cavidades de concentración

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3. Discontinuidades: grietas en caliente, ocurren porque la fundición no puede contraerse libremente durante el

enfriamiento, se pueden usar enfriadores para controlarlo.

4. Superficie defectuosa: pliegues, cicatrices, capas de arena pegada o cascara de oxido.

5. Fundición incompleta: falta de llenado o volúmenes insuficientes de metal vaciado

6. Dimensiones o formas incorrectas: error en el montaje, deformación del modelo o inadecuada tolerancia a la

concentración

7. Inclusiones: Actúan como elevadores de esfuerzo y reducen la resistencia del material. Se pueden formar

debido a la reacción entre el metal fundido y el entorno o material del molde.

Enfriadores Internos y externos

Se usan enfriadores para eliminar la porosidad causada por contracción,

estos pueden ser internos o externos. Se colocan en las zonas donde existe

mayor volumen del material.

Fluidez

Es una medida de la capacidad del metal de llenar el molde antes de enfriarse, es inversa a la viscosidad. Existen

métodos de ensayo para valorar la fluidez, como el molde de espiral de prueba donde la fluidez se mide por la

longitud del metal solidificado en el canal espiral. A mayor longitud, mayor fluidez del metal. Cuando la solidificación

ocurre en un intervalo de temperaturas (aleaciones), la porción parcialmente solidificada interfiere con la liquida y

reduce la fluidez, por lo que a mayor rango menor fluidez. Un metal con mayor calor de fusión tiende a incrementar la

medida de fluidez.

Los factores que afectan a la fluidez son:

Temperatura de vaciado: Si es muy alta el material permanece más tiempo líquido y puede penetrar en los

espacios entre granos del molde, hace que la superficie de la fundición pierda calidad.

Composición del metal

Viscosidad

Calor transferido a los alrededores

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Categoría de moldes:

1. Moldes desechables: fabricados de arena, yeso, cerámica y materiales similares. En general son mezclados

con aglutinantes o agentes de unión. Una vez solidificada la pieza se rompe el molde para retirar la fundición

2. Moldes permanentes: Hecho de materiales que conservan su resistencia a altas temperaturas, están

diseñados de manera que sea fácil retirar la pieza colada y que se pueda utilizar para la siguiente pieza. La

pieza queda sometida a una velocidad de solidificación más elevada, lo que afecta la microestructura y

tamaño de grano.

3. Moldes compuestos: combina las ventajas de cada material

Fundición en arena

La fundición en arena es el proceso más importante. El molde consiste en 2 mitades: tapa y draga separadas por un

plano de separación. La cavidad se forma mediante un modelo de madera, plástico o metal y luego se rellena con

arena húmeda que contiene un aglomerante. El sistema de vaciado consiste en un bebedero a través del cual entre

el metal a un canal de alimentación que conduce a la cavidad principal, existe una copa de vaciado para minimizar

las salpicaduras y turbulencia. Para materiales cuya contracción sea significativa se utiliza una mazarota, es una

reserva que sirve como fuente de metal liquido para compensar la contracción, debe diseñarse de manera que

solidifique después de la fundición principal. La porosidad natural del molde de arena permite que el aire y los gases

escapen de la cavidad. Se mejora la facilidad de extracción del molde mediante ángulos de salida.

La arena de fundición es el sílice (SiO2) o sílice mezclada con otros materiales. Esta arena debe tener buenas

propiedades refractarias, además se debe tener en cuenta el tamaño de grano, su distribución y mezcla. La arena se

aglutina por medio de una mezcla de agua y arcilla (90% arena – 3% agua – 7% arcilla).

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Indicadores de la calidad de arena para molde:

1. Resistencia: mantener la forma y soportar la erosión ocasionada por el liquido

2. Permeabilidad: pasaje de aire y gases por los poros.

3. Retractibilidad: capacidad del molde de dejar que la fundición se contraiga sin agrietarse.

4. Reutilización.

Clasificación:

Arena verde: contiene arena, arcilla y agua. Verde = el molde contiene humedad al momento de vaciado.

Arena seca: contiene aglomerantes orgánicos en lugar de arcilla. Se cuece para reforzarlo.

De capa seca: son de arena verde pero la cavidad se seca

Compactación: La mecanización del proceso de moldeo puede ser asistida por apisonamiento del conjunto, mediante

cabezas de compresión que pueden ser de cabeza plana o perfilada, de pistones o de diafragma flexible.

Procesos alternativos de fundición en moldes desechables

Moldeo vertical sin caja

Moldeo por cabezas de compresión:

Moldes en cascara (Técnica de volteo): el molde es una concha delgada hecho en arena aglutinada con una resina

termo fija. Mas liso que arena verde lo que permite mejor acabado superficial, evita en algunos casos el maquinado

posterior. Un método común para fabricar moldes de cascaron es la técnica de volteo, sus limitaciones son posibles

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formaciones de cavidades en el cascaron y descascarado. Su costo es elevado y no puedo fundir todos los

materiales.

Modelo consumible: Utiliza un molde de arena compactado alrededor de un modelo de poliestireno que se vaporiza

al vaciar el metal fundido. El molde no tiene que ser abierto en la parte superior ni inferior. El modelo no necesita

removerse del molde. Se necesita un nuevo patrón por cada fundición. Económico para grandes lotes.

Moldes de yeso: el molde se realiza en yeso (2CaSO4-H2O), se mezcla talco o arena para reducir los agrietamientos

e incrementar la resistencia. Se utiliza para metales de bajo punto de fusión. Se vacía la mezcla en un modelo de

plástico o metal y se deja fraguar aproximadamente 20 minutos y posteriormente debe cocerse varias horas para

eliminar la humedad. Captura muy bien los detalles y acabado superficial. No es permeable o sea que limita el

escape de los gases, para ello se evacua el aire antes de vaciar, se bate el yeso para que contenga poros o proceso

Antioch (50% de arena mezclada con yeso). No soporta temperaturas tan elevadas como los moldes de arena.

Moldes de cerámicos: son similares a los de yeso pero pueden soportar mayores temperaturas. Se usa para

metales de alto punto de fusión, el proceso es costoso.

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Moldeo por vacio : Proceso “V”. El molde se mantiene unido por presión de vacío. Se recupera la arena

Fundición por revestimiento (Cera perdida): El modelo hecho en cera se recubre con material refractario para

fabricar el molde, el molde se seca al aire y se calienta, la cera se funde y evacua antes de vaciar el metal fundido.

Se utiliza para piezas de alta precisión, como joyería. La cera puede ser recuperada.

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Procesos de fundición en molde permanente

La fundición en molde permanente utiliza un molde metálico construido en dos secciones que están diseñadas para

abrir y cerrar con precisión y facilidad. Los moldes se hacen comúnmente de acero o hierro fundido. Las

temperaturas altas de vaciado acortan la vida del molde. Semipermanente utiliza corazón de arena. La solidificación

es más rápida debido al molde metálico y genera una estructura de grano más fina. Limitado a metales de bajo punto

de fusión. Se realizan fundiciones más simples que con moldes de arena. (Ej: Pistones, cuerpo de bombas)

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Fundición hueca: Se forma un hueco al invertir el molde, después de que el metal ha solidificado parcialmente en la

superficie del molde, drenando así el metal líquido del centro. En estos artículos lo que importa es la apariencia

exterior pero la resistencia y la geotermia interior son relevantes. (Ej: estatuas, pedestales de lámparas)

Fundición a baja presión: El metal liquido se introduce a una presión dada (0.1 MPa) aplicada desde debajo de

manera que el metal fluye hacia arriba. El metal es más limpio ya que no estuvo expuesto al aire. Se reducen los

defectos de la oxidación y la porosidad y mejoran las propiedades mecánicas.

Fundición al vacío: Variación de fundición a baja presión donde se introduce el metal fundido por medio de vacío en

la cavidad. Reduce la porosidad dando mayor resistencia al producto. Es adecuado para formas complejas.

Fundición centrifuga: Molde que gira a alta velocidad para que la fuerza centrífuga distribuya el metal fundido. Se

utiliza para piezas con simetría de revolución, requiere equipamiento de alto costo y se usa para producciones altas.

La fundición centrifuga real o verdadera es aquella que vacía el metal fundido en un molde que está girando

para producir una parte tubular.

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La fundición semi centrifuga usa la fuerza centrifuga para producir fundiciones solidas en lugar de partes

tubulares. Se usa en fundiciones en las que se elimina el centro mediante maquinado. (Ej: poleas). Se usa

para piezas con simetría rotacional.

La fundición centrifugada se usa la fuerza centrifuga para que distribuya la colada del metal en cavidades

alejadas del centro de rotación. Se utiliza para partes pequeñas.

Fundición con dado impresor: Se inyecta el metal en la cavidad a alta presión, la cual se mantiene durante la

solidificación. Es la forja del metal líquido.

Solidificación rápida

Técnica para fabricar aleaciones amorfas. Involucra el enfriamiento a

elevada velocidad de manera de no tener tiempo de cristalizar. Se

usa el método de enfriamiento de disco rotatorio, la fundición se

impulsa a gran velocidad y alta presión sobre un disco de cobre

giratorio.

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Técnicas de colado para componentes mono cristalinos

1. La fundición convencional de alabes de turbinas utiliza un molde de cerámica

2. Crecimiento de mono cristales: Czochralski (a) y método de la zona flotante (b). Normalmente para silicio,

usado en la industria eléctrica. Alta pureza

Forja

El forjado es un proceso de deformación en el cual se comprime el material de trabajo entre 2 dados, usando impacto

(martinete de forja) o presión gradual (prensa de forjado) para formar la parte. Se utiliza para componentes de alta

resistencia para autos y vehículos aeroespaciales como tornillos, bielas, ejes de turbina, engranajes y piezas para

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maquinarias. Se utiliza para fijar la forma básica y luego se maquinan para lograr su forma final y dimensiones

definitivas.

Forjabilidad: capacidad del material de sobrellevar una deformación sin romperse. Una prueba para cuantificarla es

comprimir una pieza cilíndrica y observar si hay agrietamiento en las superficies abarriladas, mientras mayor sea la

deformación antes del agrietamiento, será mayor la forjabilidad

Clasificación

Una manera de clasificar las operaciones de forja es mediante su temperatura de trabajo.

En caliente: La mayoría se realiza en caliente dada la necesidad de reducir la resistencia e incrementar la

ductilidad.

En frio: Los procesos en frio dan mayor resistencia debido al endurecimiento por deformación.

Otra manera de clasificación es el grado en que los dados restringen el flujo del metal de trabajo.

Forjado en dado abierto: El trabajo se comprime entre dos dados permitiendo que el material fluya sin

restricciones. Es semejante a un ensayo de compresión. Las formas generadas son simples, requiere

habilidad del operador. El forjado por secciones (forjado incremental) consiste en una secuencia de

compresiones forjadas. Si supongo que no hay abarrilamiento (el metal más caliente se encuentra en el

centro y fluye mas rápido que el material en los extremos) y la temperatura no cambia, el volumen se

mantiene constante. En trabajo en caliente el exponente de endurecimiento (n) es cero.

ε=ln( h0

h ) F=Y f A k f Y f =k εn k f=1+ 0.4 μDh

Forjado en dado impresor o cerrado: Las superficies del dado contienen una forma que se imparte al

material durante la compresión, restringiendo significativamente el flujo de material. Los dados tienen la

forma inversa a la requerida en la parte. Con frecuencia se necesita de varios pasos para el formado final. Se

utiliza el maquinado para lograr la precisión necesaria. Se forma rebaba, exceso de material que debe

cortarse posteriormente, se enfría más rápidamente y la fricción de la rebaba fuerza al material de trabajo a

quedarse en la cavidad. Un ejemplo de este tipo de forja es la acuñación de monedas.

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Forjado sin rebaba: El dado restringe completamente el material dentro de la cavidad y no se produce

rebaba. Impone requerimientos sobre el control del proceso. El acuñado es una de las aplicaciones de este

tipo de forjado. Se clasifica como un forjado de precisión.

Forjado de recalcado: Operación de deformación en la cual una pieza de trabajo cilíndrica aumenta su diámetro y

reduce su longitud. Se utiliza para formar cabezas de pernos (encabezamiento).

Forjado rotatorio: Una varilla solida se somete a fuerzas radiales de impacto. La pieza se mantiene estática y los

dados giran, golpeando la pieza con frecuencia, hasta 20 veces por segundo. Se utiliza para el apuntado, hacer

cónica la punta de una pieza.

Maquinas forjadoras

1. Prensa hidráulica : Funciona a velocidad constante y está limitada por la carga. Como el procesos tarde más

que en otras maquinas, se puede enfriar las piezas por ello se utiliza forjado isotérmico o forjado con dado

caliente. Mayor costo inicial pero menor mantenimiento

2. Prensa mecánica : Su velocidad es variable y están limitadas por su carrera. Generan la energía mediante

un volante accionado por un motor, una biela transforma el movimiento en lineal. Se pueden aplicar fuerzas

muy grandes. Requieren habilidad del operario y tienen grandes capacidades de producción.

3. Prensas de tornillo : Obtiene su energía de un volante, por lo que son de energía limitada. Se usan para

pequeña producción y para piezas de precisión (alabes de turbina).

4. Prensa de rotula

5. Martillo de gravedad

Lubricantes: Reduce la velocidad de enfriamiento del material al entrar en contacto con el dado, hace que no se

pegue el material al dado y reduce fricción y desgaste.

Defectos piezas forjadas

1. Si hay volumen insuficiente del material y no se llena la cavidad del dado, el alma puede torcerse durante el

forjado y producir pliegues

2. El exceso de material fluye por la pieza ya formada y genera grietas internas.

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Proceso Ventaja Limitaciones

Dado Abierto Dados sencillos poco costosos

Útil para pequeñas cantidades

Amplia gama de tamaños disponibles

Buenas características de resistencia

Formas sencillas

Difícil de mantener tolerancias estrechas.

Necesario maquinado a la forma final.

Poca capacidad de producción

Mala utilización del material

Requerimientos de destreza del operador

Dado cerrado Buena utilización del material

Mejores propiedades dado abierto

Buena precisión dimensional

Gran capacidad de producción

Buena reproductibilidad

Gran costo de los dados

Con frecuencia se necesita maquinado

De precisión Tolerancias cerradas

Innecesario maquinado

Muy buena utilización del material

Requiere grandes fuerzas

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Extrusión

La extrusión es un formado por compresión en el cual el metal es forzado a fluir a través de una abertura para darle

forma a su sección transversal. Es un proceso intermitente debido a que se extrude una pieza por vez. Se puede

realizar a temperatura ambiente (extrusión en frio) o a elevada temperatura (extrusión en caliente). Los metales

típicos que se extruden son: aluminio, cobre, zinc y estaño.

Extrusión en caliente: Involucra el calentamiento previo del tocho a una temperatura por encima de su temperatura de

cristalización. Esto reduce la resistencia y aumenta la ductilidad del material. Se reduce la fuerza en el pistón. La

lubricación es un aspecto crítico, se diseñaron lubricantes especiales para soportar las temperaturas, a veces se usa

vidrio.

Extrusión en frio: Mayor resistencia por endurecimiento por deformación, acabados superficiales mejorados y

ausencia de capa de óxido. Sin embargo la magnitud de la fuerza requerida es muy grande. Para lubricar se utiliza

una capa fosfatada modificada sobre la pieza seguida de una capa de jabón o cera.

Extrusión directa: Se carga un tocho de material en un recipiente y un pistón comprime el material forzándolo a fluir

a través de una o más aberturas en el extremo opuesto del recipiente. Una pequeña porción del tocho no puede

forzarse a través de la abertura, tope o cabeza, y se separa del producto cortando justo a la salida. Un problema es

la gran fricción que existe entre la superficie de trabajo y la pared del recipiente al forzar el deslizamiento del tocho

hacia la abertura, esta fricción ocasiona un aumento sustancial en la fuerza requerida. En la extrusión en caliente

esto se agrava por la presencia de oxido, se usa un bloque simulado entre el pistón y el tocho para resolver este

problema. Este tipo de extrusión hace posible una infinita variedad de formas en la sección transversal.

r=A0

A f

ε=ln r p=Y f (ex+2 LD 0 )K f

Y f =k εn

1+nex=a+bε k f =0.98+0.02(C0

C x)

2.25

C x=π D eq

Kf es un factor de la forma geométrica del producto extruido, en donde C0 es el perímetro de la forma a obtener y Cx

es el perímetro del cilindro de un Área igual a la de la forma. C0 > Cx.

Angulo de dado:

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Extrusión indirecta: El dado esta montado sobre el pistón en lugar de estar en el extremo opuesto del recipiente. Al

penetrar el pistón fuerza al metal a fluir en una dirección del claro en una dirección opuesta a la del pistón. El tocho

no se mueve respecto del recipiente, por lo que no hay fricción y la fuerza requerida es menor que en directa. La

dificultad está en la rigidez del pistón hueco y sostener el producto extruido tal como sale. Hay limitaciones practicas

en la longitud de la parte extruida.

p=Y f ex K f

Extrusión hidrostática: Se interpone un fluido entre el pistón y el tocho de trabajo. Se reduce la fricción entre la

abertura del dado y se elimina dentro del recipiente. La fuerza en el pistón es muy inferior a la requerida en directa.

Se puede realizar a temperatura ambiente o en caliente.

Extrusión por impacto; Extrusión en frio con alta velocidad y carrera corta. Se usa para hacer componentes

individuales. Permite grandes reducciones y altas velocidades de producción, por ello importante comercialmente.

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Extrusion lateral:

Defectos extrusión

1. Reventado central: grieta interna que se desarrolla debido a los esfuerzos de tensión a lo largo de la línea

central. Se produce cuando hay baja relación de extrusión e impurezas en el metal. Difícil de detectar.

2. Tubificado: Asociado con la extrusión directa, es un hundimiento en el extremo del tocho

3. Agrietado superficial: Resultado de las altas temperaturas en la pieza de trabajo que causa el desarrollo de

grietas en la superficie.

Estirado o trefilado: Operación en la cual la sección transversal de una barra se reduce al tirar del material a través

de la abertura. Se pasa a través de una serie de dados de estirado. Se realiza posterior a la extrusión para

aprovechamiento del material. Se realiza generalmente en frio. (Ej. Estirado de alambres, estirado de tubos)

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r=A0−A f

A0

ε=ln( 11−r )

d=D0−Df p=Y f ε (1+ μtan α )ϕ ϕ=0.88+0.12

DLc

D=D0+D f

2Lc=

D0−D f

2 sin α

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Laminado

Proceso por el cual se reduce el espesor de una pieza larga mediante fuerzas de compresión aplicadas a través de

juegos de rodillos. Los productos son placas (espesor superior a 6mm) y hojas (espesor inferior a 6 mm). La

laminación primero se efectúa a temperaturas elevadas (laminado en caliente), durante esta fase la estructura de

grano frágil y porosa se reduce a una estructura de grano fino y mejores propiedades. Requiere una alta inversión de

capital. La mayoría de laminado se realiza en caliente debido a la gran cantidad de deformación requerida, en el

laminado en caliente se forma una capa de oxido. A mayor roce puedo bajar más el espesor.

Laminado Plano

Una tira de espesor inicial t0 entra entre rodillos que le dan un espesor final tf. La velocidad de la tira es máxima a la

salida del espacio de laminación. Existe un deslizamiento relativo entre el rodillo y la tira a lo largo del arco de

contacto. En el punto neutro (punto a lo largo del tramo de contacto) la velocidad de la tira es la misma que la de los

rodillos. A la izquierda de ese punto el rodillo se mueve más rápido que la tira y a la derecha más lento.

Aunque la fricción es necesaria, se disipa algo de energía para vencerla. Las fuerzas de laminación se reducen

mediante:

1. Reduciendo la fricción

2. Utilizando rodillos de diámetro menor, reduce el área de contacto

3. Efectuando reducciones más pequeñas por pasada, reduce el área de contacto

4. Laminado a temperaturas elevadas, reduce la resistencia del material

5. Aplicación de tensiones longitudinales a la tira durante la laminación

Las fuerzas de laminación tienen tendencia a flexionar los rodillos elásticamente durante el laminado, esto provoca

que la tira quede más gruesa en el centro que en los bordes (corona). Para ello se rectifican los rodillos para que en

su parte central el diámetro sea ligeramente mayor.

Debido al calor generado los rodillos pueden abarrilarse y se producen tiras más delgadas en el centro que en los

bordes. Para contrarrestar esto se agrega refrigerante.

Ensanchado: cuando la relación ancho a espesor es baja, al laminarlo se produce un ensanchamiento considerable.

El ensanchado se puede evitar mediante el uso de rodillos verticales en contacto con los bordes del producto

laminado.

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ε=ln( t 0

tf) F=Y f w Lc Y f =

k εn

1+nLc=Rθ draf t=t 0−t f draft max=μ2 R S=

V f−V r

V r

V r=N 2π R

draft=2 R (1−cosθ ) T=0.5 Lc F Potm=Tω=T 2πN Pote=Potm

η

La fuerza F está a un brazo de palanca (d=0.5Lc). Se supone la conservación de volumen

Laminado de anillos: Proceso que lamina las paredes gruesas de un anillo para obtener uno de paredes más finas,

pero da un diámetro mayor. Se aplica en procesos en caliente para anillos grandes y en frio para anillos chicos. En

comparación con otros métodos, el laminado de anillos tiene proceso de producción corto, ahorro de material y

estrictas tolerancias dimensionales.

Laminado de roscas: Laminación entre dos dados. Se utiliza para la producción de tornillos, compite con los tornillos

por maquinado. La velocidad de producción es más elevada, tiene una buena utilización del material, se obtienen

cuerdas más fuertes y lisas. La lubricación es importante a fin de obtener buenos acabados e integridad superficial y

minimizar defectos.

Producción de tubos: Trabajo en caliente para tubos de paredes gruesas sin costura. Utiliza dos rodillos opuestos.

Se basa en el principio de que al comprimir un sólido cilíndrico sobre su circunferencia se desarrollan altos esfuerzos

de tensión en su centro. Un mandril se encarga de controlar el tamaño y acabado de la perforación, este puede ser

fijo o móvil.

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Laminado en conjunto: Se juntan 2 o más capas laminadas.

Defectos en laminado:

1. Bordes ondulados: la tira es más delgada en sus bordes que en el centro. Como se alargan mas, se tuercen.

2. Hojamiento: deformación no uniforme durante el laminado o presencia de defectos en el material original.

Molinos para laminación: Requiere de grandes inversiones. Los molinos altamente automatizados producen placas

de alta calidad y estrictas tolerancias en elevados volúmenes de producción y bajo costo unitario, particularmente

cuando están integradas a la colada continua. Pueden tener distinta cantidad de rodillos (2-3-4)

Colada por rociado: El metal fundido es rociado sobre un mandril giratorio a fin de producir tuberías y tubos sin

costura.

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Formado de láminas metálicas

En comparación con los productos fabricados por fundición y forja, las piezas de metal laminado tienen la ventaja de

poco peso y forma versátil. Por su bajo costo y buenas condiciones generales de resistencia y facilidad de

conformado, el acero al bajo carbono es el metal en forma de lamina que más se usa.

Cizallamiento: La hoja se corta sometida a esfuerzos cortantes. Los bordes no son lisos ni perpendiculares al plano

de la lámina. Se usa para reducir las grandes láminas a más pequeña para operaciones posteriores de prensado. Los

parámetros principales son la forma y los materiales del punzón y el dado, la velocidad del punzonado, la lubricación

y la holgura (c) entre el punzón y el dado. La holgura es uno de los factores principales en la determinación de la

forma y la calidad del borde cortado.

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Punzones, matrices

(compuestos, progresivos, de transferenciaPunzonado

Corte de piezas brutas

Preparación fina de piezas brutas

EstampadoRealzado

RebabadoLimpieza

Pintura

DobladoFormado con

rodillosEmbutido profundo

Formado con goma

RechazadoFormado

superplásticoRepujado

Formado con explosivo

Formado por impulso

magnético

CizallamientoRanura

doCorteAserra

do

Lámina

PlacaLami

nado

Existen varias operaciones que se basan en el proceso de cizallado:

1. Punzonado : Corte de una lamina de metal a lo largo de una línea cerrada en un solo paso para separar la

pieza del material circundante.

Dsolicitado de la pieza=Db Dh=D b−2c

2. Perforado: El perforado es similar, excepto que la parte que se corta se desecha.

Dsolicitado del agujero=Dh Db=Dh+2 c

c=a ×t

c=Claro

t=ancho de pieza

F=S t L=0.7 σu t L

3. Troquelado: Proceso de cizallamiento que consiste en el perforado, partido, muescado y lancetado.

4. Ranurado: Operación de corte mediante un par de hojas circulares (como abrelatas). El borde de una ranura

tiene un rebaba que se puede doblar

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5. Rasurado: Operación de corte realizada con un claro muy pequeño, destinada a obtener dimensiones

precisas y bordes lisos y rectos. Es una operación típica de acabado que se aplica sobre partes que se han

cortado previamente

Doblado

No solo se usa para formar piezas sino también para impartir rigidez a la pieza aumentando el momento de inercia.

Las fibras externas del material están en tensión, mientras que las internas están en compresión.

Deformación alrededor de un eje recto. El metal en el plano neutral se comprime y el que esta fuera se estira. El

metal se deforma plásticamente, por lo que el doblez toma una forma permanente al remover los esfuerzos que la

causaron. El doblado produce poco o ningún cambio en el espesor de la lamina. Si el radio del doblado es pequeño

con respecto al espesor del material, el metal tiende a estirarse durante el doblado. Es importante poder estimar la

magnitud del estirado que ocurre, de manera que la longitud final coincida con la dimensión especificada.

Restitución: como todos los materiales tienen un módulo de elasticidad finito, al pasar a la etapa de deformación

plástica y al eliminar la carga aplicada el metal exhibe algo de recupero elástico. Se suele compensar la restitución

doblando en exceso la pieza.

1. Doblado en V: la lámina se dobla entre un punzón y un dado en forma de V. Se usa para operaciones de

baja producción, los dados son simples y de bajo costo.

2. Doblado de bordes: Introduce una carga voladiza sobre la lámina. Se usa una placa de presión que aplica

una fuerza de sujeción, mientras el punzón fuerza la parte volada para doblarla sobre el borde del dado. Se

limita a ángulos de 90º o superiores. Se utilizan para trabajos de alta producción y son más caros que en V.

25

A+ A '=180° Tolerancia dedoblado=BA=2πA

360( R+kba t ) F=

Kbf σu w t 2

D

R<2t Kba = 0.33

R>2t Kba = 0.5

3. Bridado: El filo de una lámina de metal se dobla en un ángulo de 90º para formar un borde, el cual puede

tomar distintas formas

4. Doblado de tubos: Requiere herramientas especiales, se empaca primero su interior con partículas sueltas

(arena) para después doblarlo en un soporte adecuado. El relleno evita que se aplaste el tubo. También se

usan mandriles flexibles internos, los tubos gruesos se pueden doblar sin relleno.

Embutido

Se utiliza para hacer formas acopadas, de caja y formas huecas complejas. Se realiza colocando una lámina sobre

una cavidad de un dado y empujando el metal hacia la cavidad con un punzón. La lámina debe sujetarse contra el

dado mediante un sujetador de formas. Se puede realizar un embutido sin sujetadores siempre y cuando la pieza sea

lo suficientemente gruesa como para evitar pliegues. (Ej. Latas de bebidas, casquillos de balas).

La falla suele deberse al adelgazamiento de la pared en la depresión por los grandes esfuerzos longitudinales de

tensión. La capacidad de embutido se valora con la relación de embutido (DR).

c=1.1 t

Fuerzade embutido=F

F=π D pt σu[( D b

D p)−0.7]

Fuerzade sujecion=Fb

Fb=0.015Y f π [ Db2− ( Dp+2.2 t+2 Rd )2 ]

Cuando es realizable la operación de embutido

Relacion deembutido=DR=Db

D p

<2

Reduccion=r=( Db−D p )

D b

<0.5

Relacion deespesor al diametro= tDb

>0.01

Realzado: Consiste en embutidos superficiales hechos con dados macho y hembra. Se utiliza para rigidizar tableros

planos y para decoración.

Rechazado: Formación de piezas axisimetricas sobre un mandril, usando diversas herramientas y rodillos.

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Doblado en V Kbf = 1.33Doblado de borde Kbf = 0.33

Formado por explosión: Si un explosivo es controlado en cantidad y forma, se puede usar como fuente de energía

para dar forma a los metales.

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Mecanizado

Es una familia de procesos de manufactura que se utiliza una herramienta de corte para remover el exceso de

material de una parte de trabajo, de tal manera que el material remanente sea el deseado. La acción predominante

del corte involucra la deformación cortante del material para formar viruta, que al removerla queda expuesta una

nueva superficie. Se requiere un movimiento relativo entre la herramienta y la pieza. Es uno de los procesos más

importantes de manufactura y se puede aplicar a una amplia variedad de materiales, los cerámicos presentan

dificultad debido a su alta dureza y fragilidad. Se realiza generalmente después de otros procesos, crea la geometría

final, las dimensiones y el acabado.

Ventajas

Mejores tolerancias dimensionales

Logra geometrías complejas

Mejor calidad superficial

Economía, en función del número de piezas

Desventajas

Mayor consumo energético y de material

Influencia en las propiedades del material y su aspecto

En general, más lento para lograr una dada geometría

Torneado

Indica que la parte está girando mientras se máquina. Se usa una herramienta de corte con un borde cortante simple

destinado a remover material de una pieza de trabajo giratoria para dar forma a un cilindro. La velocidad del torneado

la proporciona la pieza y el avance lo realiza la herramienta.

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Taladrado: se usa para crear un agujero redondo. La herramienta avanza en una dirección paralela a su eje de

rotación dentro de la parte de trabajo. Se realiza con una herramienta cilíndrica rotatoria, llamada broca.

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Fresado: Una herramienta rotatoria con múltiples filos cortantes se mueve lentamente sobre el material para generar

un plano o superficie recta. Existe el fresado periférico y el fresado de frente.

Tipos de viruta:

a) Totalmente discontinua: para materiales

frágiles y condiciones de corte no correctas.

b) Parcialmente segmentada

c) Continua: Materiales tenaces y dúctiles

d) Ondulada: cuando existen vibraciones

e) Continúa con filo de aportación.

Casi toda la energía consumida en el maquinado es convertida en calor. La energía restante se retiene como energía

elástica en la viruta.

Modelo de corte ortogonal: Usa una herramienta en forma de cuña, en el cual el borde cortante es perpendicular a

la dirección de la velocidad de corte. Al presionar la herramienta contra el material se forma una viruta a lo largo del

plano de corte

Relacion de viruta=r=t0

tc

=Lssin ϕ

Ls cos (ϕ−α ) ϕ= r cosα

1−rsin α Deformacion=γ=tan (ϕ−α )+cot ϕ

Velocidad deremocion del material=MRR=v w t 0

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Angulo de ataque

Longitud del plano de corte

Angulo del plano de corte

μ=F fric

Nμ= tan β

τ=F s

A s A s=

t0 w

sin ϕ

Ninguna de las fuerzas puede ser medida directamente en una operación de maquinado. Se puede colocar un

dinamómetro en la herramienta de corte que medirá la fuerza de corte (Fc) y la fuerza de empuje (Ft). Si α es cero

puedo medir la fuerza normal y la de fricción directamente con el dinamómetro.

F=Fc sin α +Ft cos α

N=Fc cosα−F t sin α

F s=Fc cos ϕ−F t sin ϕ

Fn=Fc sin ϕ+F t cosϕ

Ecuación de Merchant: Calculo el esfuerzo cortante basada en la

suposición de corte ortogonal pero su validez se extiende a operaciones de maquinado en tres dimensiones. Es

aproximada ya que no tiene en cuenta la dependencia de la resistencia de corte con la velocidad de deformación, la

temperatura y otros factores.

τ=Fc cosϕ−F t sin ϕ

(t w /sin ϕ ) ϕ=45+ α

2+ β

2

Aproximación al torneado por corte ortogonal: Para que sea válida la aproximación, el avance (f) debe ser menor

que la profundidad de corte (d). Así el corte tiene lugar en la dirección del avance mientras que el corte en la nariz de

la herramienta es despreciable.

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Fuerza cortante

Potencia: Los valores de HPu y U están tabulados para distintos materiales, por lo que conociendo los parámetros

de mecanizado (t0, w, velocidad de corte, ángulo de ataque a) es posible determinar la potencia y fuerza de corte.

Con el diagrama de fuerzas, es posible determinar las otras fuerzas.

P=F c v HP= P33000

HPmotor=HPη

HPunitaria=HP

MRR

Tiempo de vida de la herramienta: Las herramientas pueden fallar por fractura, temperatura o desgaste gradual. En

la ecuación n y c dependen del avance, de la profundidad de corte, del material de corte, de la herramienta y del

criterio usado.

vT n=C

Condiciones de corte en el torneado

Velocidad de rotación de la pieza N= vπ D0

Profundidad de corte (d) D0−D f =2d

Velocidad de avance línea f r=Nf

Tiempo de maquinadoT m=Lf r

Velocidad de remoción del material MRR=vfd

Optimización de la velocidad de corte:

32

Torneado Corte ortogonal

Avance f = Espesor de viruta antes del corte t0

Profundidad d = Ancho del corte w

Velocidad de corte v = Velocidad de corte v

Fuerza de corte Fc = Fuerza de corte Fc

Fuerza de avance Ft = Fuerza de empuje Ft

T c=T h+T m+(T t /n piezas )Velocidad que minimiza el tiempo del ciclo

vmax=C

[( 1n−1)T t]

n

Vida de la herramienta para vmax

T max=( 1n−1)T t

Optimizacion del costo del maquinado

C ciclo=C0T h+C0T m+C0 T t

np

+Ct

n p

C t=Pherramienta

nfilos

C t=Pherramienta

nfilos

+T reafil C reafil

Velocidad que minimiza el costo

vmin=C [( n1−n )( C0

C0T t+C t)]

n

Vida para costo minimo

T=( 1n−1)(C0T t+C t

C0)

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Conformación de materiales

Metalurgia de polvos

Es una tecnología de procesamiento de metales en las que se producen partes a partir de polvos metálicos. Los

polvos se comprimen (prensado) para darles la forma deseada y luego se calientan para ocasionar la unión de las

partículas en una masa dura y rígida. Los metales más usados en la metalurgia de polvos son el hierro con grafito

para hacer partes de acero, aluminio, cobre y sus aleaciones, níquel, acero inoxidable, tungsteno y otros metales

precisos. Consiste básicamente en:

1. Producción del polvo

2. Mezclado

3. Compactación

4. Sinterización

5. Operaciones de acabado

Ventajas:

Eliminan o reducen la necesidad de procesos posteriores.

Muy poco desperdicio de material (97% del polvo se convierte en material)

Se puede realizar materiales con un nivel especifico de porosidad

Sirve para materiales difíciles de fabricar con otros métodos (tungsteno, combinación de metal y cerámico)

Buena tolerancia dimensional

Se puede automatizar, disminuyendo su costo

Desventajas:

Alto costo equipos, herramientas (diseñados específicamente para cada parte) y polvos

Dificultad en almacenamiento y manejo de polvos

Limitación en la forma de las partes por déficit en fluidez lateral de los polvos

Básicamente cualquier metal puede reducirse a la forma de polvo y se definen mediantes:

Tamaño y distribución de partículas: el tamaño se refiere a las dimensiones de los polvos individuales, se

contabiliza mediante el número de malla, un número alto de malla indica menor tamaño de partícula. Las

partículas se pasan por una serie de mallas de cada vez menor tamaño y en la malla que quedan será su

número de malla (procesos de clasificación).Se puede necesitar uno o más tamaños distintos.

Forma y estructura interna de partículas:

o Poros abiertos: poros entre partículas

o Poros cerrados: vacios internos en la estructura de una partícula.

Área superficial

Fricción interparticula y características de flujo: La fricción afecta la disposición del polvo a fluir fácilmente y

compactarse firmemente. Las características del flujo son importantes durante el llenado del dado y el

prensado.

Compactado, densidad y porosidad: Las características de compactado dependen de la densidad. La

porosidad representa un camino alternativo para considerar las características de compactación.

Composición química y películas superficiales (óxidos, materiales orgánicos y humedad)

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Producción de polvos

Existen muchos métodos para producir comercialmente polvos metálicos y para polvos cerámicos.

1. Atomización: implica la conversión de un metal fundido en una nube de pequeñas gotas que se solidifican

formando polvos. Es el método más común, se puede utilizar gas, aire o agua (más común) a alta velocidad

para crear el rocío. La desventaja de usar agua es la oxidación en la superficie, por ello actualmente se usa

aceite sintético. También existe el atomizado centrifugo (ver gráfico). El tamaño de la partícula que se forma

depende de la temperara del metal, el caudal, el tamaño de la boquilla y las características del chorro.

2. Químicos - Reducción: serie de reacciones químicas que reducen el material a polvo metálico. Se usa H2 o

CO. Se producen polvos de hierro, cobre y tungsteno.

3. Electrolitos: celda electrolítica en la cual el metal a pulverizar es el ánodo. Alta pureza, para cobre, hierro.

4. Mecánicos - Pulverización: se utiliza casi únicamente para polvos cerámicos. Primero se tritura y luego se

reduce a polvo mediante molienda.

Prensado convencional y sinterizado

Después de la producción de polvos, la secuencia de la metalurgia do polvos consiste en la combinación y mezclado,

compactación (prensado) y sinterizado (calentamiento a temperatura por debajo del punto de fusión, 0.7-0.9 del punto

de fusión).

Mezclado de polvos: se realiza bajo condiciones controladas, se lleva a cabo para:

1. Obtener uniformidad

2. Mezclar polvos de distintos metales para impartir características especiales

3. Mezclar lubricante para mejorar el flujo.

Se debe tener gran cuidado durante el mezclado y en el manejo debido a que los polvos

metálicos son explosivos.

Compactación: Los polvos metálicos se prensan en matrices o moldes para obtener las formas, densidad y contacto

entre partículas deseada. El polvo prensado se llama comprimido crudo o en verde. Se suele hacer a temperatura

ambiente pero también se puede realizar a alta temperatura. Formas de realizar la compactación

1. Moldeo de metales por inyección (MIM): se mezclan polvos metálicos finos con polímeros o aglomerantes y se

compacta. Luego se coloca en un horno para quemar el plástico o se eliminan los aglomerantes con

solventes. Tiene un alto costo

2. Laminado: los polvos son compactados formando una lámina continua. Se puede hacer a temperatura

ambiente o elevada.

3. Extrusión

4. Sin presión: el polvo llena una matriz por gravedad y sinteriza dentro de ella

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Sinterizado: Es el proceso de calentar los comprimidos crudos en un horno con una atmosfera controlada, hasta una

temperatura menor al punto de fusión, pero lo suficientemente alta como para permitir la adhesión de las partículas

individuales. Sinterización de fase liquida, cuando hay dos metales y uno con punto de fusión menor. Uno se funde y

por tensión superficial rodea al otro. Los hornos de sinterizado tienen 3 cámaras:

Cámara de quemado para volatilizar los lubricantes

Cámara de alta temperatura para el sinterizado

Cámara de enfriado

Moldeo de cerámicos

Existen varias técnicas para procesar cerámicos y obtener productos útiles. En general implica:

a) Quebrar o moler la materia prima para convertirla en partículas finas. Se suele hacer en un molino de bolas

(seco o mojado, el cual es más efectivo). Después las partículas se dimensionan, filtra y lavan.

b) Mezclarlas con aditivos para impartirles ciertas características adecuadas. Como aglomerante, lubricante,

humectante, plastificante, agentes para controlar la formación de espuma y sinterizado, defloculante (para

hacer más uniforme la suspensión de cerámica en agua).

c) Moldear, quemar y secar el material

Vaciado deslizante - Moldeo de Barbotina

Se usa en metalurgia de polvos pero su aplicación en

cerámicos es más común. Se vacía una pasta aguada de

polvos cerámicos (barbotina) en un molde de yeso el cual

absorbe el agua. La barbotina debe ser fluida para

penetrar en la cavidad pero con no tanto contenido de

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agua para acelerar la producción. Luego de volcar la barbotina la pieza es secada y sometida a cocción en un horno

para darle dureza y resistencia. El secado es un proceso crítico por la tendencia a agrietarse y torcerse. Se pueden

fabricar partes por separado y luego usar barbotina como adhesivo.

Extrusión:

Modelado y formado de vidrio

El vidrio se procesa fundiéndolo y moldeándolo en diversos aparatos o por soplado. Su resistencia se puede

modificar con tratamientos térmicos y químicos que inducen esfuerzos superficiales residuales de compresión o bien

laminándolo con una hoja delgada de un plástico tenaz. Los productos se pueden clasificar en:

Vidrios planos, láminas y placas de vidrio:

Estirando en estado fundido: el vidrio fundido pasa por un par de rodillos y se solidifica prensado entre ellos

saliendo en forma de lámina. La superficie es áspera, se debe pulir y lustrar para obtener un vidrio plano.

Laminándolo en estado fundido: el vidrio fundido es comprimido entre rodillos y forma una lámina, la

superficie del vidrio se puede grabar con el relieve de los rodillos. La superficie es áspera, se debe pulir y

lustrar para obtener un vidrio plano.

Métodos de flotación: el vidrio se hace flotar sobre un baño de estaño fundido y pasa a una cámara mediante

rodillos (túnel de recocido) donde se solidifica. No necesita pulirse ni lustrarse.

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Tubo o varillas de vidrio

Para realizar el tubo, el vidrio fundido se envuelve en torno a un mandril

giratorio hueco cilíndrico o cónico, a través del cual se sopla aire para evitar el

colapso del tubo. Luego se estira y seca con un conjunto de rodillos. Las

varillas se realizan de la misma forma pero sin soplar aire.

Soplado

Se utiliza para obtener botellas o bulbos de lámparas. Se sopla aire a una masa de vidrio fundido y lo empuja contra

los borde de un molde. Los moldes suelen estar cubiertos con un agente desmoldeador. El acabado superficial es

aceptable y la tasa de producción es alta pero es difícil controlar el espesor

Prensado

Una masa de vidrio fundido se coloca en un molde (de una o dos piezas) y se prensa hasta llegar a su forma con un

punzón. Tiene mayor exactitud dimensional que por soplado. No se puede utilizar en productos de paredes delgadas

y en los que no se puede sacar el punzón (botella).

Aspersión centrifuga

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El vidrio se alimenta a una cabeza giratoria y se obtienen lanas de vidrio y fibras

Conformación de plásticos

Moldeo por extrusión

La extrusión es un proceso de compresión en la cual se fuerza el material a fluir por un orificio de un dado para

generar un producto largo y continuo, cuya forma de la sección transversal queda determinada por la forma del

orificio. Se utiliza para termoplásticos y elastómeros pero rara vez para termoestables. En la extrusión de polímeros

el material se alimenta en forma de pelets a un cilindro de extrusión donde se calienta y se lo hace fluir a través de un

orificio de un dado por medio de un tornillo giratorio. El dado debe fabricarse con el perfil particular a producir. Se

utiliza para fabricar films, laminas, tubos, sachetes y fundas.

Los productos por extrusión pueden sufrir numerosos defectos:

Fractura de fusión que ocasionan una superficie irregular

Pie de tiburón: la superficie se arruga al salir del dado

Extrusión de película soplada

Se utiliza para hacer películas delgadas de polietileno para empaque, combina la extrusión y soplado para hacer un

tubo de película delgada. El tubo extruido se estira inmediatamente hacia arriba y se expande por inflado de aire a

través del mandril del dado. La presión de aire dentro de la burbuja tiene que ser constante para mantener uniforme

el espesor y diámetro del tubo. El aire estira la película en ambas direcciones mientras se enfría. La película puede

dejarse en forma tubular o pueden cortarse los bordes para obtener dos láminas paralelas.

Moldeo por inyección

El polímero se calienta hasta un estado altamente plástico y se hace fluir bajo alta presión dentro de la cavidad de un

molde donde se solidifica. Puede producir formas complicadas, la limitación es construir un molde cuya cavidad tenga

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la misma forma que la pieza. Es un proceso más ampliamente usado para termoplásticos. Se utiliza para tapones,

tapas, jarras y potes.

Rotomoldeo

Usa gravedad dentro de un molde giratorio para hacer formas huecas. Se usa para termoplásticos y a veces para

elastómeros y termoestables. Se adopta mejor a formas más complejas y producciones más bajas. Es la gravedad

más que la fuerza centrifuga que provoca un recubrimiento uniforme. Se utiliza para carros, cestos de basura,

tanques, baldes y cisternas.

Calandrado

Método para producir termoplásticos ahulados (PVC plastificado). Primero se pasa el material por unos rodillos que

reducen el espesor hasta el deseado. Tiene buen acabado superficial y alta precisión de calibración de película.

Moldeo por inyección reactiva

Cosiste en la mezcla de dos líquidos altamente reactivos que se inyectan en la cavidad de un molde donde la

reacción química genera solidificación. Se utiliza para el poliuretano. Se requiere baja energía y el equipo y molde

cuestan menos que en inyección.

Termoformado

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Se usa una lámina plana de material termoplástico para darle la forma deseada. Se usa ampliamente en el

empaquetamiento de productos de consumo, bandejas, blíster y potes. Se caliente la lamina por medio de un

calefactor y luego se coloca sobre el molde. Puede ser al vacio (presión negativa para adherir la lamina), a presión

(presión positiva para adherir la lamina) o mecánico (molde positivo y negativo).

41

Soldadura

Unión metalúrgica (unión de átomos periféricos) de dos piezas por aplicación de calor, presión o ambas

conjuntamente con o sin metal de aporte para producir una unión localizada por fusión o recristalización en la

interfase. La unión soldada puede ser más fuerte que los materiales originales si se usa metal de relleno apropiado.

En general es la forma más económica de unir materiales, en términos de uso y costo.

Se utiliza cuando:

No es posible fabricar un producto en una sola pieza, o si es posible no es económico

En los productos se necesita desarmarlos para mantenimiento o reparación

Hay componentes del producto que requieren diferentes propiedades

Se necesita facilitar el transporte, montaje o ensamble de componentes.

Como las superficies a unir presentan una importante capa de óxido y microscópicamente se observa irregularidades

y la humedad está presente, es imposible que existan fuerzas atómicas de atracción y repulsión que permitan

soldarse. Se podrá lograr fundir los bordes de los metales a unir, los cuales se mezclaran en estado líquido formando

una nueva red cristalina. Siempre que haya fusión se formarán cordón de soldadura. Formado por el metal base

fundido y el metal aportado que generalmente tiene características microestructurales y apariencia superficial

diferentes al metal base no fundido y propiedades mecánicas también diferentes.

La energía térmica requerida en estas operaciones se suele suministrar por medios químicos o eléctricos. Se puede

usar o no metales de aporte o relleno, que son metales que se agregan en la zona de unión. Si no se agrega nada se

la llama soldadura autógena.

Tipos de uniones:

a) Unión empalmada

b) Unión de esquina

c) Unión superpuesta

d) Unión en T

e) Unión de bordes

Tipos de soldaduras:

a) Soldadura de filete: se usa metal de relleno. (Los primeros 4)

b) Soldadura con surco o ranura: se preparan los bordes. (Los 3 últimos)

Características de una junta soldada:

Zona de fusión: alto grado de homogeneidad entre metales por

convección en el pozo de soldadura, al enfriarse ocurre un

crecimiento de grano (en fundición no).

Interfase de soldadura: límite que separa la zona de fusión de la

afectada por el calor. Su composición es idéntica la metal base.

Zona afectada por el calor: cambio en la micro estructura del metal

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El metal calentado al enfriarse pasara por temperaturas de transformación y presentaran productos metalúrgicos

finales que dependerán de la velocidad con que se enfríen

Defectos en la soldadura:

Cuarteaduras y grietas: fracturas en la soldadura misma o en el metal base. Defecto más serio que produce

una importante reducción de la resistencia

Cavidades: defectos de porosidad por gases atrapados y contracción por encogimientos durante la

solidificación

Inclusiones solidas: material solido no metálico (escoria) atrapado en el metal de la soldadura.

Fusión incompleta: no ocurre la fusión de toda la sección transversal de la unión.

Forma imperfecta o contorno inaceptable:

Porosidad: es causada por los gases desprendidos durante la fusión y atrapados durante la solidificación

Hojeamiento

Tipos de soldadura

Soldadura por fusión

Estos procesos usan calor para fundir los metales base, muchas veces se añade metal de unión para facilitar el

proceso y aportar volumen y resistencia. Si no aporto material, soldadura autógena. Al tener lugar el enfriamiento se

produce la solidificación de la fase liquida alcanzándose la buscada continuidad metálica.

Soldadura con oxígeno y gas combustible

Se utiliza un gas de oxigeno combustible (O2+acetileno) con el propósito de producir una llama caliente para fundir la

base metálica y el metal de aporte en caso de utilizarlo.

Llama neutra: relación 1:1 de oxígeno y gas combustible

Llama oxidante: mayor proporción de oxígeno. Perjudicial porque oxida los aceros. Se usa para cobre y sus

aleaciones

Llama reductora: menor proporción de oxígeno. Adecuada para cuando se necesita poco calor

Metales de aporte: las varillas pueden estar desnudas o cubiertas con fundente, cuyo objetivo es retardar la oxidación

de las superficies que se sueldan.

Proceso:

1. Preparar los bordes y mantenerlos en la posición adecuada mediante prensas y soportes

2. Abrir la válvula de acetileno y encender el gas. Abrir la válvula de oxígeno y ajustar la llama

43

3. Sostener el soplete a unos 45° respecto del plano de la pieza y la varilla de aporte a unos 30-40°

4. Tocar la unión con la varilla de aporte y controlar su movimiento a lo largo de la unión

Soldadura por resistencia

El calor suministrado proviene del pasaje de corriente eléctrica a través de la interfase creada por los materiales a

unir, que debido a las imperfecciones y óxidos posee alta resistividad. Los bordes alcanzan temperaturas cercanas a

la de fusión, se aplica presión para el acercamiento interatómico y expulsa los óxidos y exceso de metal. (por punto,

costura, proyección, recalado)

Soldadura con arco eléctrico – Electrodo consumible

El calentamiento de los metales se obtiene mediante un arco eléctrico (corriente que fluye entre dos electrodos

separados a una cierta distancia a través de un gas ionizado, plasma), a veces también se aplica presión en el

proceso y la mayoría utiliza metal de aporte. El arco se produce entre la punta del electrodo y la punta de la pieza que

se va a soldar. El calor puesto en juego variará al variar el gas y los parámetros del proceso.

Soldadura con arco y metal protegido - SMAW

El 50% de la soldadura en industrias y mantenimiento se hace de este modo. El arco eléctrico se genera tocando la

pieza con la punta del electrodo recubierto y retirándola con rapidez a la distancia suficiente para mantener el arco

eléctrico. El recubrimiento desoxida la zona de soldadura y produce gas de pantalla. Para soldar se prefiere CC

porque el arco es más estable.

Soldadura con arco sumergido - SAW

Usa un electrodo de alambre desnudo consumible, el arco eléctrico se protege con una cobertura de fundente

granular formado por cal, sílice, oxido de manganeso y fluoruro de calcio. La parte más cercana al arco se derrite y se

mezcla con el metal de soldadura.

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Soldadura en gas inerte - GMAW

Se protege el área de soldadura con una atmosfera inerte de argón, helio o dióxido de carbono. En el metal del

electrodo suele haber desoxidantes. Se usa mucho por su naturaleza sencilla del proceso.

Soldadura con arco y núcleo fundente

En soldadura con arco y núcleo fundente, el electrodo esta relleno de fundente. Producen un arco más estable y

mejores propiedades del metal de soldadura

Soldadura con electrogas

Para soldar piezas colocadas borde con borde (unión a tope). Se mantiene un arco con electrodos de núcleo

fundente. La protección se hace con gas inerte, que puede suministrarse con una fuente externa o se puede producir

en el electrodo con núcleo fundente.

Soldadura con electroescoria

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Consigue la unión mediante escoria fundida caliente y altamente conductiva que actúa sobre el metal base y de

aporte. Se genera un arco eléctrico para iniciar la fusión y la resistencia de la escoria genera el calor necesario para

mantener el proceso de soldadura. El arco se inicia entre la punta del electrodo y el fondo de la pieza a soldar

Soldadura con arco eléctrico – Electrodo no consumible

Soldadura de tungsteno con arco eléctrico y gas -TIG

Se usa un electrodo de tungsteno y de una fuente externa se suministra el gas de protección. Se puede utilizar o no

metal de aporte. La contaminación del electrodo con metal puede ser un factor importante, por ello se debe evitar el

contacto.

Soldadura por arco de plasma - PAW

Se utilizas gas en estado ionizado (plasma) que permite la circulación de corriente eléctrica lo que logra una buena

estabilidad del arco. Y control de penetración mejor que en los demás métodos. Utiliza electrodo de tungsteno.

Soldadura con haz de electrones

El calentamiento para el proceso lo proporciona una corriente muy concentrada de electrones de alta intensidad que

chocan con la superficie de trabajo. Se pueden soldar metales refractarios los cuales no es aconsejable la soldadura

de arco. Las soldaduras son de alta calidad.

Soldadura laser - LAW

Se obtiene la unión mediante la energía de un haz luminoso altamente concentrado y enfocado en la unión. Se

ejecuta con gases protectores para evitar la oxidación. No se agrega metal de aporte. Produce acabados de alta

calidad.

Soldadura de estado sólido

Estos procesos usan presión o combinación de presión y temperatura para la unión. Las partes permanecen en

estado sólido, requiere del aporte de calor sin llegar a fundir los bordes de las piezas para facilitar la fluencia metálica

y eliminar óxidos de las zonas a unir. Se aplica presión a las piezas a través de dados o rodillos, interviene la

deformación plástica por lo que por lo menos una de las piezas debe ser dúctil

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Soldadura por forja: los materiales se calienten y después se forjan juntos. Requiere bastante habilidad.

Soldaduras por difusión: la unión ocurre por aplicación de calor y presión para que ocurra la difusión. Se usa para

metales refractarios y de alta resistencia.

Soldaduras por fricción: conveniente para métodos mecanizados. Se obtiene la unión mediante el calor generado por

fricción introducida por el frotamiento entre las partes y presión.

Soldadura ultrasónica: No hay aporte de calor. Se unen dos materiales bajo fuerzas de sujeción modestas y se

aplican intensas presiones oscilatorias de frecuencia ultrasónica a la interfase para producir la unión. Se genera calor

por la fricción pero llega a temperaturas muy inferiores a las del punto de fusión.

Oxicorte

La fuente de calor se usa para quitar una zona delgada de una placa o lamina metálica.

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Tratamiento superficial

Bruñido

Proceso de acabado con arranque de viruta y con abrasivo duro que se realiza en una pieza rectificada previamente.

Eleva la precisión y calidad superficial además de mejorar su geometría. Alisa y mejora superficies con surcos y

relieves. Induce esfuerzos residuales de compresión en la superficie y mejora la vida en la fatiga. Puede superficie

cónica o plana. Puede haber remoción y/o deformación plástica.

Rociado Térmico

Recubrimiento duro para la corrosión, protegerlo y/o usarlo como aislante. En el último caso se lo rocía con una capa

de cerámico. Las superficies a rociar primero se limpian y desbastan para mejorar su resistencia de adhesión.

1. Con alambres de aporte: la llama funde el alambre y lo deposita en la superficie, su adhesión es intermedia

2. De polvos metálicos: usa polvo metálico en lugar de alambre

3. Plasma: produce una muy buena resistencia a la adhesión

Deposición física de vapor (PDV)

Esta técnica está basada en la formación de un vapor del material que se pretende depositar en capa delgada. Para

ello, el material en forma de sólido es sometido bien sea a un proceso de calentamiento hasta la evaporación

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(evaporación térmica) o bien se 'pulveriza' mediante un bombardeo intenso con partículas cargadas en forma de

iones (bombardeo catódico o 'sputtering'). Luego el enfriamiento se produce paulatinamente, de forma controlada,

para que el vapor se deposite de manera uniforme en la base del recinto en el que se ha realizado el proceso.

Se usa para la fabricación de CD. Los discos de policarbonato se colocan en una cámara con aluminio en estado de

vapor que se deposita en los discos.

Deposición química de vapor (CDV)

Similar a PDV pero con gases a alta temperatura se mezclan y se genera una reacción química, luego se depositan

en la pieza. Hay un excedente de gases que se debe retirar de la cámara.

Electrodeposición

es un proceso electroquímico en el que se usa una corriente eléctrica para reducir cationes en una solución acuosa

que los contiene para propiciar la precipitación de estos, que suelen ser metales, sobre un objeto conductivo que será

el cátodo de la celda, creando un fino recubrimiento alrededor de este con el material reducido

Anodizado

Es un proceso de oxidación anódica en el que las superficies de las piezas se transforman en una capa dura de óxido

que proporciona resistencia a la corrosión. La pieza es el ánodo de una celda electrolítica de baño acido. Se puede

usar colorantes orgánicos diversos para producir películas superficiales estables y duraderas.

Pintura

a) Inmersión

b) Rociado

c) Rociado electrostático

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Tribología

Se define tribología como la ciencia y tecnología de la fricción, el desgaste y la lubricación.

Fricción en los metales

La fricción se define como la resistencia al movimiento entre dos cuerpos que se tocan, sometidos a una carga

normal. La fricción desempeña un papel muy importante en los procesos de manufactura. La fricción disipa energía y

en consecuencia genera calor que puede tener efectos negativos sobre una operación.

Teoría de adhesión: dos superficies limpias y secas, independientemente de lo lisas que sean se tocan solo en una

pequeña fracción de su área aparente de contacto. La carga normal esta sostenida por las asperezas diminutas que

están en contacto entre sí.

Casi toda la energía disipada para superar la fricción se convierte en calor. La temperatura aumenta con la fricción y

la velocidad de deslizamiento.

Fricción en los plásticos y cerámicos

Los plásticos poseen bajas características de fricción. Un factor importante es el aumento de la temperatura en las

interfaces deslizantes causadas por la fricción. Los termoplásticos pierden su resistencia y se reblandecen cuando

aumenta la temperatura por lo tanto si no se controla la temperatura pueden sufrir deformaciones y degradaciones.

Medición de la fricción

Prueba de anillo de compresión: un anillo plano se recalca plásticamente entre dos platinas planas. A medida que se

reduce su altura se expande radialmente hacia afuera.

Si la fricción en las interfaces es cero, los diámetros interior y exterior se expanden como si fuera un disco macizo. Al

aumentar la fricción el diámetro interno se hace menor. Si se mide el cambio en el diámetro interno del espécimen se

puede determinar el coeficiente de fricción.

La principal ventaja de este método es que no se requiere medir una fuerza y que implica deformaciones en gran

escala de la pieza.

Desgaste

El desgaste es la pérdida o remoción progresiva del material de una superficie. Puede tener un efecto beneficioso,

quitar picos de asperezas (proceso de alisamiento o pulido controlado)

Desgaste adhesivo

Si se aplica fuerza tangencial al modelo el cizallamiento puede efectuarse en la interfaz original o a lo largo de una

trayectoria abajo o arriba de ella causando desgaste adhesivo.

Desgaste abrasivo

Se produce porque una superficie dura y áspera se desliza sobre otra superficie. Este tipo de desgaste desprende

partículas formando microesquirlas o astillas y produce ranuras o ralladuras en la superficie más suave. Es

directamente proporcional a su dureza.

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Lubricación

Lubricación de película gruesa: Las superficies están totalmente separadas y la viscosidad del lubricante es el factor

de importancia.

Lubricación de capa delgada: aumenta la fricción en las interfaces de deslizamiento y ocasiona un poco de desgaste

Lubricación mixta: una parte importante de la carga la soporta el contacto físico entre las piezas, el resto lo soporta la

película fluida atrapada.

Lubricación marginal: la carga esta sostenida por las superficies en contacto cubierta por una capa marginal de

lubricante, esto reduce el desgaste. Suelen ser aceites, grasas o jabones. Las películas marginales se pueden

romper como producto de o frotamiento durante el deslizamiento.

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Ensayos no destructivos

Son aquellos utilizados para localizar defectos y determinar características dimensionales, físicas o mecánicas sin

afectar la pieza.

Ensayos no destructivos para localizar defectos

Examen visual

Se pueden utilizar lentes magnificadores de baja potencia como lupas estereoscópicas, microscopios equipados con

aditamentos fotográficos, usados para obtener registros permanentes de los defectos, zonas dudosas y variaciones

estructurales.

Termografía

Generalmente las imperfecciones en un material alteran la velocidad de flujo térmico a su alrededor, generando

gradientes de alta temperatura, es decir puntos calientes. En la termografía, a la superficie de un material se le aplica

un recubrimiento sensible a la temperatura, a continuación el material es calentado uniformemente y luego enfriado.

La temperatura es más elevada cerca de una imperfección que en otros sitios; por tanto, el color del recubrimiento en

este punto será distinto y fácilmente detectado.

Tintas penetrantes

Es un método para detectar discontinuidades abiertas en la superficie como grietas, costuras, laminaciones o falta de

adhesión. Son aplicables a la inspección en proceso, final y de mantenimiento. Los líquidos usados ingresan por

pequeñas fisuras o porosidades por acción capilar. La velocidad y la extensión de esta acción dependen de las

propiedades como la tensión superficial, la cohesión, la adhesión y la viscosidad.

Pasos a seguir para realizar el ensayo:

a) Piezas limpias y secas

b) Se pintan con el liquido

c) Después de uno minutos se limpia el excedente del liquido

d) Se cubre la superficie examinada con un revelador

e) El revelador absorbe el colorante de la grieta señalándola nítidamente.

Partículas magnéticas

El método de partículas magnéticas se basa en que toda partícula ferrosa susceptible de ser magnetizada al entrar

en contacto con un imán se orienta de acuerdo con las líneas de fuerza del campo magnético.

Dichas líneas se interrumpen tan pronto como en el cuerpo principal se presenta alguna discontinuidad en forma de

grieta. Tanto sea superficial o sub-superficial, en sus inmediaciones se producirá una acumulación de partículas.

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Ultrasonido

Los ultrasonidos se emplean en los ensayos no destructivos para detectar discontinuidades tanto en la superficie

como en el interior de los materiales. La velocidad con que viaja una onda ultrasónica depende del material, siendo

constante dentro de este.

Atenuación: perdida de energía que sufre el haz de ultrasónico. Es función del elemento atravesado

Impedancia acústica: es la resistencia que opone un material al ser atravesado por un haz ultrasónico.

Si el haz atraviesa dos materiales de diferente impedancia acústica, al llegar a la superficie de separación una parte

se refleja y otra parte pasa.

Si las impedancias acústicas de los diferentes materiales son parecidas, la mayor parte del haz pasará de un material

a otro. En cambio si las impedancias acústicas son diferentes pasará todo lo contrario.

Existen 3 tipos de procedimientos:

1. Procedimiento de impuso y sus ecos: se utiliza un trasductor que funciona como emisor y receptor. Cuando

un impulso es introducido en un material homogéneo, este atravesará todo el material hasta llegar a la

superficie opuesta, donde existe una interfase (pieza-aire). Si la pieza tiene una discontinuidad, al tener esta

una impedancia acústica distinta, constituye una interfase y el impulso es reflejado.

2. Procedimiento de transición: la pieza se sitúa entre dos transductores de ondas pulsantes o continuas y se

analiza la energía que es transmitida a través de la pieza.

3. Procedimiento de resonancia: se utiliza para comprobar la zona de unión de materiales de distinta naturaleza.

Técnicas radiográficas (Rayos X y gamma)

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El objetivo del ensayo es obtener información sobre la macroestructura interna de una pieza o componente. Cuando

los rayos atraviesan un material de estructura no uniforme, que contenga defectos tales como grietas, cavidades, o

porciones de densidad variables, los rayos que atraviesan las partes menos densas del objeto son absorbidos en

menor grado que los rayos que atraviesan las partes más densas. Las porciones más oscuras indican las partes

menos densas y las porciones más claras indican las partes más densas

Comparación rayos X y gamma

• El uso de los rayos X está limitado a 9 pulg de espesor de acero, mientras que los rayos gamma pueden

usarse para espesores de hasta 10 pulg.

• Los rayos X son mejores que los gamma para la detección de pequeños defectos en secciones menores a 2

pulg de espesor, los dos poseen igual sensibilidad para secciones de unas 2 a 4 pulg.

• El método de rayos X es mucho más rápido que el de los rayos gamma y requiere de segundos o minutos en

vez de horas.

• Debido a su menor dispersión, los rayos gammas son más satisfactorios que los rayos X para examinar

objetos de espesores variables.

• Para un espesor de material uniforme los rayos X parecen proporcionar negativos más claros que los

gammas.

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