Tecnologa de materiales1 Miguel Moro Vallina2 Apuntes preparados a partir de Segundo Barroso Herrero y Manuel Cars Cebrin: Proce sado y puesta en servicio de materiales. Madrid, 2005: Universidad Nacional de E ducacin a Distancia. Los apuntes corresponden a la asignatura homnima del Plan de Estudios de 2001 de Ingeniera Industrial de la uned. 2 Correo: narodnaia@gmail.co m. Web: narodnaia.googlepages.com 1

This work is licensed under the Creative Commons Attribution-NonCommercial-Share Alike 2.5 Spain License. To view a copy of this license, visit http://creativeco mmons.org/licenses/by-nc-sa/2.5/es/ or send a letter to Creative Commons, 543 Ho ward Street, 5th Floor, San Francisco, California, 94105, USA. A La composicin de este documento se ha realizado mediante L TEX.

Captulo 1 Procesos de conformado 1.1. Introduccin Pueden diferenciarse tres grandes familias de procesos que permiten conformar ma teriales. La primera familia se basa en el arranque de material, la segunda en e l cambio de forma sin prdida de masa y la tercera, denominada sinterizacin, consis te en la transformacin de una pieza en verde obtenida por compactacin en una pieza c on la resistencia adecuada para ser tratada. La segunda familia de procesos de c onformado se fundamenta en los cambios de forma sin prdida de masa y puede, a su vez, estructurarse de acuerdo con la temperatura homloga del material durante el proceso de conformado, siendo la temperatura homloga (TH ) el parmetro obtenido al dividir la temperatura TC de conformado (TC ) por la de fusin (TF ) del material : TH = TF . Se consideran procesos de conformado en fro aquellos que se realizan desde temperatura ambiente hasta aproximadamente TH < 0,4; los procesos de confo rmado en semicaliente se efectan a 0,4 TH 0,5 y se caracterizan por efectuarse en el lmite en el que tienen lugar los fenmenos de recristalizacin; por ltimo, los pro cesos de conformado en caliente se realizan de 0,6T H a 0,87TH . Qu ocurre con los tratamientos realizados entre 0,5TH y 0,6TH . En este rango de valores de la te mperatura homloga existen otros parmetros, tales como la velocidad de deformacin y la propia deformacin, que pueden hacer variar levemente los lmites que de nen los di ferentes tipos de tratamiento. Estos lmites vienen marcados por los efectos que l os tratamientos realizados a la temperatura correspondiente producen en el mater ial; se trata ante todo de cambios microestructurales, de procesos de recristali zacin y de acabado super cial. Es decir, cada material determina sus propios lmites o zonas de conformado en funcin de su historia y de sus caractersticas intrnsecas, tales como su composicin o cualquiera de los procesos previos al conformado. Los procesos de conformado en semislido (tixoformado) son procesos novedosos que se r ealizan a temperaturas prximas a la de fusin del material; por ltimo, se encuentran los procesos de conformado en estado lquido, que son los denominados procesos de moldeo, que alcanzan su mayor grado de aplicacin en los materiales polimricos.

4 1.2. Consideraciones sobre el conformado 1.2. Consideraciones sobre el conformado Se puede de nir el conformado como el conjunto de procesos que utilizan la aptitud que presentan los materiales frente a su deformacin plstica. La capacidad de defo rmacin es una funcin del material reologa, as como del proceso, caracterizado por el ipo de esfuerzos aplicados y pos los parmetros de operacin, entre los que se encue ntran la temperatura y la velocidad generalizada de deformacin. Existen tres aspe ctos que de nen el conformado: el mecnico, que se caracteriza por los esfuerzos apl icados; el metalrgico, que est determinado por las transformaciones microestructur ales inherentes a la tensin y a la temperatura, y el tecnolgico, en el que se tien en en cuenta aspectos tales como los econmicos, los derivados de su utilidad real y los que afectan al impacto medioambiental que pueden producir los distintos t ipos de conformado. Entre los procesos aplicados al producto inicial se deben di ferenciar aquellos que aplican esfuerzos de compresin como la forja libre, recalca do, estampado y laminado, de aquellos otros que aplican esfuerzos de traccin como e l estirado y el tre lado. Cuando se conforma un material previamente trabajado, i.e ., un semiproducto, se hablar de embuticin, plegado, per lado y de algn otro menos us ual, como el doblado. Caractersticas de la deformacin La deformacin se caracteriza por el modo en que se realiza, bien sea por deslizamiento, bien por maclaje. El deslizamiento implica la traslacin de un plano atmico en relacin a otros, gracias al desplazamiento de la s dislocaciones. Se caracteriza por un plano y una direccin de deslizamiento que se corresponde con la direccin cristalogr ca de mayor densidad atmica. El nmero de pos ibles direcciones de deslizamiento depende del sistema cristalino en el que cris taliza el material deformado.1 El maclaje, por otra parte, es un modo de deforma cin que tiene lugar mediante deslizamientos de los planos contiguos en desplazami entos variables. Un elemento determinante en el desarrollo de las deformaciones es la formacin de dislocaciones. Las dislocaciones son alteraciones en el orden y colocacin de la red cristalina que provocan o favorecen la ruptura encadenada de ligaduras, lo que permite el avance progresivo de la deformacin. El movimiento d e dislocaciones se encuentra, a su vez, afectado por diferentes procesos en los que puede existir la accin combinada con vacantes, intersticiales, fronteras de g rano, reagrupacin de tomos y existencia de precipitados. Condiciones de la deformacin El concepto clsico de deformacin plstica hace referenci a al proceso de cambio de forma irreversible; i.e., el material se opone al esfu erzo al que es sometido, y cuando cesa el esfuerzo cesa tambin 1 As, en el sistema cbico centrado en las caras Fe-, Ni, Cu, A , Co, Al, Mn, las dire cciones son 24; en el sistema cbico centrado en el cuerpo Fe-, Ni, Cu, Mn, Ml, T , W, Ti , Zr ; por su p rte, en el sistem hex gon l comp cto Ti , Zn, Mg, Zr , Be l s irecciones son slo 6.

1. Procesos de conform do 5

1.2.1.

P r explic r l in uenci de l temper tur en fro, semic liente o c liente, exist e un principio gener liz do que implic que l ument r l temper tur de confor m do disminuye l resistenci del m teri l y por t nto se deform mejor, producin dose un menor desg ste de l s inst l ciones. El umento de l temper tur , sin e m rgo, tiene un lmite: m yores temper tur s, el m teri l se h ce ms vulner le, sufre lter ciones de composicin si no est de id mente protegido; en p rticul r, l presenci del oxgeno puede incidir neg tiv mente en el producto n l. Por otr p rte, el m teri l sufre lter ciones en su specto, y que l producirse c sc ri ll se h ce neces ri su limpiez ; el m teri l puede lleg r quem rse, producind ose l desintegr cin del mismo por descohesin intergr nul r. En el otro extremo de l in uenci de l temper tur se encuentr el conform do en fro, que energtic ment e es ms econmico, y que el producto o tenido no requiere de oper ciones posterior es t les como enderez dos o mec niz dos. En el conform do en fro, dems, el m teri l no experiment un crecimiento del t m o del gr no por ctiv cin trmic , sino que sufre l deform cin de los gr nos con el consiguiente endurecimiento por critud . El conform do en fro, sin em rgo, present di cult des no desde les, y que l p otenci neces ri p r deform r el m teri l es muy elev d , por lo que se requie ren inst l ciones especi les; dems, el desg ste de l s mquin s h ce neces rio un control dimension l e c z, y l geometr del producto no puede ser muy complic d ( puesto que el m teri l no puede uir y rellen r cu lquier tipo de molde. 1.2.2. V ri ciones estructur les en el conform do H y un serie de consider ciones estructur les que pueden ser determin ntes p r elegir un determin do tipo de conform do: son l s rel tiv s los fenmenos de re st ur cin, recrist liz cin y precipit cin. Cu ndo un m teri l se deform plstic ment e en fro, los gr nos se deform n t m in, gener ndo disloc ciones que ument n en d ensid d medid que se increment el gr do de l deform cin, p s ndo de encontr rse como disloc ciones isl d s form r m r s de disloc ciones, p r termin r fo rm ndo estructur s celul res de disloc ciones. Si se c lient el m teri l, previ mente deform do en fro, h st un temper tur no dem si do elev d (< 0,3TH ) du r nte un tiempo orto, se provoc un cierto l nd miento del m teri l sin modi c c in de su estructur intern , fenmeno denomin do rest ur cin esttic . Si el m teri l se c lient dur nte un tiempo prolong do temper tur s, los gr nos, que se h n deform do l rgndose, tienden recuper r l form equi xi l de equili rio y s u vez l git cin trmic provoc un despl z miento de fronter s, incrementndose su t m o; este fenmeno se le denomin recrist liz cin esttic .

In uenci de l

temper tur

so re el conform do

l

re ccin. L deform cin plstic provoc tr nsform ciones en el m teri l, conserv l histori de los esfuerzos y, en oc siones, le h ce dquirir nuev s propied d es.

6 1.2. Consider ciones so re el conform do Cu ndo en el tr jo en c liente se super un cierto gr do de deform cin, l s dis loc ciones l igu l que en l deform cin en fro se v n grup ndo primero entre s y de spus con l s de sentido contr rio y se v n niquil ndo, form ndo s un estructur de su gr nos que d lug r l constitucin de un su estructur , slo o serv le m edi nte microscop electrnic de tr nsmisin. Cu ndo se increment l deform cin y se lc nz un ochent o novent por ciento de su mximo, l su estructur se convier te en un estructur n de gr nos loj dos en el interior de los gr nos origin le s previ mente deform dos, d ndo lug r un nuev estructur p rentemente no de form d . En este proceso ll m do recrist liz cin dinmic se produce un import nte no de gr no, con independenci del t m o que tuvier inici lmente el gr no. El t m o del gr no n l que se o tiene tr s l recrist liz cin esttic se o tiene medi nte l ecu cin: Drec = kD0 p Z q , donde Drec represent el t m o de gr no recrist liz do y D0 el inici l, mientr s que es l deform cin gener liz d , Z el p rmetro de Z ener-Hollomon, y p y q son p rmetros empricos. L recrist liz cin dinmic provoc un reduccin del t m o de gr no, ev lu le medi nte l ecu cin: Drec = kZ q . En l r ecrist liz cin esttic , el t m o de gr no n l depende del inici l y del gr do de def orm cin, mientr s que en l dinmic depende n d ms que del p rmetro de Zener-Hollom on, segn l ecu cin: Z = exp Q RT , donde es l velocid d gener liz d de deform cin, Q l energ p rente de ctiv cin , R l const nte de los g ses perfectos y T l temper tur l que se h re liz do el proceso. Los fenmenos de recrist liz cin se ven not lemente fect dos por los elementos de le cin, especi lmente cu ndo estos elementos form n p rtcul s qu e precipit n, t nto en l s fronter s de gr no como en el interior de los mismos. Los precipit dos estn form dos por compuestos cuyos p rmetros de red de en ser di ferentes de los p rmetros de red de l m triz, de form que quellos distorsion n est ltim , fect ndo su comport miento. H y elementos que por encim de un t emper tur crtic son solu les en el m teri l se; en ese c so, l solucin so res tur d , cu ndo se enfr , tiende form r p rtcul s que present n dos efectos, uno endurecedor y otro de control del crecimiento del gr no por ncl je de sus fron ter s. P r que l s p rtcul s teng n estos efectos, de en distri uirse de form h omogne y no super r un determin do t m o, puesto que si lo h cen ct n de form pe rnicios , introduciendo fr gilid d en el m teri l. En el c so de los ceros, l s p rtcul s que se form n son nitruros y c r onitruros; el cromo, en p rticul r, f orm c r uros que despus de precipit r tienen un gr n f cilid d p r co lescer. A veces se emple n micro le ntes, que

1. Procesos de conform do 7 se introducen en un porcent je en m s inferior los le ntes clsicos h st un 0, 15 %; el nio io, el v n dio y el tit nio son los ms emple dos. P r producir un en durecimiento por precipit cin, el elemento que ms se emple es el v n dio, y que es tot lmente solu le l s temper tur s usu les previ s l conform do; el nio i o y el tit nio, por su p rte, estn slo p rci lmente solu iliz dos dich s temper tur s. El v n dio, cu ndo ct conjunt mente con el nitrgeno, produce un umento d e l resistenci y del lmite elstico de ido l control que ejerce so re el crecimi ento de los gr nos y l endurecimiento por precipit cin que produce. Cu ndo se d e tit nio en peque s c ntid des menores que el 0,02 % en m s se consigue un endure cimiento menor que en el c so del v n dio pero, por el contr rio, se re liz un import nte control del t m o del gr no h st temper tur s muy elev d s. El nio io es un excelente control dor del crecimiento del gr no, pero h st temper tur s ms j s que el tit nio (900950 C). L n tur lez de os gr nos precipit dos est rel c ion d con el contenido en c r ono y nitrgeno present en l le cin, formndose nit ruros y c r onitruros de ido que su p rmetro de red es muy simil r. L presenci conjunt de v n dio y tit nio d origen l form cin de microprecipit dos comp lejos. L precipit cin suele ocurrir en l s proximid des del frente de v nce de l tr nsform cin - y en l ferrit so res tur d . Cu nto menor es l temper tur de tr nsform cin, ms nos y e c ces sern los precipit dos. No o st nte, p rtir de los 2 0 n nmetros l e c ci de los precipit dos se ten . Velocid d de deform cin gener li z d en el conform do L velocid d de deform cin gener liz d en el conform do vi ene d d por l ecu cin siguiente: = h d ln h0 dt .

Este v lor no coincide con el de l velocid d de despl z miento del c ez l de l mquin de ens yos, o con el de l prens de est mp do o forj , ni con l de los rodillos de un l min dor o con el despl z miento de m teri l extruido en un extrusor . Por eso se le de el c li c tivo de gener liz d . Se tr t de un m gni tud de complic do clculo, y di ere de unos puntos otros del m teri l en el proces o de deform cin. L s velocid des gener liz d s de deform cin oscil n entre los sig uientes v lores tpicos: 10200 s1 en un proceso de laminacin; 10 1000 s1 en la forja a ierta; 10100 s1 en la forja por estampa; 0,110 s1 en la extrusin. La aparicin de grie as debidas al conformado tiene lugar en aquellas zonas sometidas a mayores defor maciones y ms elevadas velocidades de deformacin; dichas zonas son aquellas que tra s un estudio del proceso sufren un conformado ms severo. Generalmente, se intenta determinar los parmetros de conformado de las zonas crticas, por ser las ms suscept ibles de presentar grietas. Existe un tipo

8 1.2. Consideraciones sobre el conformado de conformado, el conformado superplstico, que se realiza a velocidades de deform acin muy bajas, del orden de 104 a 102 s1 y a temperaturas superiores a 0,5TF . En t odo caso, recalquemos que no slo se requiere dicha velocidad de deformacin, sino t ambin que el material tenga una estructura de grano muy no, de forma que el mecani smo conductor de la deformacin no sea el trepado de dislocaciones sino el desliza miento de fronteras de grano. Se trata de un proceso complejo y lento que no per mite realizar grandes series de piezas a precios competitivos. El inters de este proceso radica en que el comportamiento superplstico se caracteriza por alargamie ntos que pueden alcanzar el 2000 %, lo que se traduce en la posibilidad de obten er formas extremadamente complicadas sin que aparezcan estricciones o grietas. L os dos factores que determinan un proceso de conformado son el tiempo y la tempe ratura. Cuando el conformado se realiza a temperaturas homlogas superiores a 0,5T H y velocidades bajas (104 a 102 s1 ), se generan ciclos de endurecimiento y recris talizacin sucesivos. A velocidades superiores a 1 s 1 , la deformacin crtica que fav orece la recristalizacin se alcanza antes de que la recristalizacin dinmica afecte a todo el material, siendo este efecto ms ostensible cuanto mayor es la velocidad de deformacin. La consecuencia inmediata es que el tamao de grano nal y la por tan to la resistencia y la tenacidad vara con el grado de recristalizacin alcanzado y con los ciclos trmicos posteriores. A temperaturas inferiores, la velocidad inter viene poco en la capacidad de deformacin, pero provoca un calentamiento adiabtico que puede alterar las condiciones del conformado. Si las temperaturas son elevad as, el calentamiento adiabtico puede ser importante, dependiendo de la capacidad de absorcin trmica de la instalacin, de los rodillos de laminado o de la matriz de estampa. 1.2.3. Otros aspectos que afectan al conformado Uno de los aspectos que afectan al conformado son las condiciones de partida: el material puede provenir de una colada solidi cada o de lo que se denomina un semi producto barra, palanquilla o chapa. Tambin puede haber sufrido un tratamiento trmic o previo. En general, cuando el material es colado, posee una estructura muy na y algunos defectos inherentes al proceso de enfriamiento. El semiproducto puede s er un producto plano planchn o chapa, por ejemplo o un producto largo palanquilla, s i la seccin es cuadrada, o barra o alambrn, si es circular. Si adems de haber sufrid o un conformado previo, el material debe cumplir condiciones estructurales y mecn icas diferentes a las que el proceso de fabricacin le con ere, es necesario someter lo a un tratamiento trmico adicional, que puede ser un normalizado o un recocido. El tratamiento ms usual es el normalizado, que consiste en calentar el material por encima de su temperatura de transformacin y dejarlo enfriar al aire. En otros casos se puede requerir un recocido, en el que el enfriamiento es ms lento. La e structura de colada de un material moldeado es columnar. Por el contrario, cuand o se conforma, forja o relamina a partir de un material laminado, se

1. Procesos de conformado 9 tiene una estructura brosa. Tanto en el caso de material de estructura brosa como en el de bandas, las propiedades transversales, que son perpendiculares a la dir eccin de laminado, son muy diferentes a las longitudinales, especialmente la tena cidad. Por otra parte, si se corta la bra al forjar se inducen zonas de inicio de grieta altamente peligrosas. Las piezas conformadas sobre producto moldeado suf ren las secuelas habituales de este mtodo de fabricacin, como son los defectos int ernos y la menor resistencia, por no mencionar la formacin de una estructura acus adamente columnar. 1.3. Conformado de productos no planos El conformado de materiales, desde el punto de vista de la pieza a conformar, se puede dividir en dos grandes familias segn se obtenga un semiproducto o un produ cto nal. El semiproducto es, en general, una pieza de grandes dimensiones chapa, p alanquilla o barra, destinada a su vez a ser conformada para conseguir un product o de forma ms complicada. La forja conforma las piezas aplicando fuerzas de compr esin mediante la presin que ejercen las prensas hidrulicas o por la energa que desca rgan sobre ella las mquinas de impacto o directamente la fuerza humana. 1.3.1. Forja libre En este tipo de conformado, el material se comprime en una direccin, pudiendo des plazarse libremente en las otras dos. La bra del material se expande progresivame nte, en sentido normal al esfuerzo soportado. La forma nal se suele alcanzar desp us de golpear reiteradamente la pieza. Cuando las piezas a forjar son de gran tam ao, se requiere un dispositivo adicional que cambie la posicin de la pieza. 1.3.2. Forja cerrada El conformado de piezas en tiles cerrados, denominados estampas, permite alcanzar de manera rpida elementos de mayor complejidad que la forja abierta o libre. La deformacin plstica del material se realiza mediante estampas cerradas que imponen una forma de nida al material. La estampa, generalmente de dos piezas, posee la fo rma que se desea conferir al material y debe permitir la fcil extraccin del produc to una vez conformado. El estampado puede realizarse en el martinete, martillo p iln sencillo o de contragolpe o bien en prensa. El martillo sencillo tiene colocada la mita de la estampa en la parte mvil y la otra mitad en el yunque y requiere d e una instalacin slida, ya que el impacto sobre el basamento es muy fuerte, sobre todo en los de doble efecto, en los que la maza no cae por efecto de la gravedad sino que es impulsada.

10 1.4. Laminado El martillo de contragolpe se caracteriza por tener, en lugar de maza mvil y yunq ue jo, una segunda maza que bate en sentido opuesto a la primera. Ambas mazas se encuentran a mitad del recorrido. Al carecer de yunque jo no se transmite el impa cto sobre el terreno, lo cual es una ventaja notable porque se evitan las vibrac iones sobre las instalaciones circundantes. Este tipo de martillo requiere de un a mayor precisin de alineamiento; adems, al moverse las dos partes de la estampa, el material no permanece inmvil y, por tanto, hay que acompaarlo siguiendo el movi miento de la estampa, un proceso complicado y que imposibilita estampar piezas c on salientes. La forja cerrada mediante prensa se caracteriza por emplear menore s velocidades generalizadas de deformacin y porque la deformacin del material se r ealiza durante ms tiempo. Cualquiera que sea el procedimiento seleccionado, en la forja cerrada se somete al material a una deformacin acusada y tan importante es conseguir que uya como lograr que ocupe todo el espacio de la estampa, por lo qu e el volumen de material introducido debe ser compatible con el de la estampa, t eniendo que salir el material sobrante por los conductos habilitados a tal efect o. Si la estampa no est bien diseada, el material no la rellenar por mucho esfuerzo que se aplique. Los canales de expulsin del material sobrante deben estar dimens ionados correctamente para que el material uya. Es interesante mencionar tambin el recalcado o forja horizontal, que consiste en aplastar el material en el sentid o de la bra para provocar un aumento de seccin transversal, no una reduccin. Suele considerarse una primera etapa de forja ya que permite adaptar el bloque origina l a la geometra que se pretende alcanzar. Por ello, no suele considerarse un proc eso de conformado independiente, ya que slo sera aplicable a piezas sencillas o pr ocesos muy espec cos (por ejemplo, el roblonado). 1.4. Laminado El proceso de conformacin ms importante y, con mucho, el ms utilizado para obtener productos vlidos para su uso inmediato o casi inmediato es el proceso de laminacin , tanto en caliente como en fro. El acero no pudo comenzar a emplearse como eleme nto estructural hasta que se desarroll el conformado por laminacin. Esquemticamente , en su forma ms sencilla consiste en hacer pasar el material entre dos rodillos o cilindros que giran a la misma velocidad pero en sentido contrario, de forma q ue reducen la seccin del material debido a la fuerza aplicada. El parmetro bsico de l laminado es la reduccin, que se de ne como: S0 S f R= . S0 El equipo bsico de lami nacin se conoce como caja y consta de un par de cilindros y su soporte. El conjun to de varias cajas se denomina tren de laminacin. Cuando se pretenden obtener gra ndes reducciones, es preciso ejercer grandes presiones, para lo cual se recurre a dispositivos ms complejos, cajas

1. Procesos de conformado 11 cuarto y clusters, en los que los cilindros de trabajo son ms pequeos y se apoyan en un segundo juego de cilindros que realiza la presin. Al laminar un material di sminuye su seccin y aumenta su longitud, mantenindose constante el volumen. Si se desea obtener un producto de seccin mucho menor que el producto de partida, la lo ngitud nal es tal que no es posible emplear un tren reversible de una sola caja, por las dimensiones a manejar y por el enfriamiento que sufrira el material. Este problema se resuelve empleando varias cajas en serie, que estructuran lo que se denomina un tren continuo. Se parte de un planchn, habitualmente de varias tonel adas de peso y un espesor inicial de 2030 centmetros. Estos planchones se introduc en en hornos para conseguir una temperatura inicial de 11501250 C. En el c so del cero, l s lir del horno l piez se oxid y se cu re de c sc rill , por lo que l tom de temper tur s puede verse f lse d ; p r evit rlo se rieg el m teri l , lo que produce un contr ccin rusc en l super cie que cu rte l c sc rill y posi ilit un control correcto de l temper tur . El pl nchn desc sc rill do p s l tres des st dor, que suele ser un tren reversi le donde sufre l m yor defo rm cin proxim d mente el 60 por ciento; continu cin, un s pl nch s cermic s impide n el enfri miento excesivo del m teri l que entr en el tren n liz dor. El tren n liz dor est compuesto de v rios rodillos que v n reduciendo el espesor de l ch p h st lc nz r el espesor dese do, que puede ser de milmetros o incluso menos, c omo cu ndo se tr j en hoj l t . El ltimo p r de rodillos o los dos ltimos p res no producen pen s reduccin de espesor, sino que con eren l p rienci exigid l m teri l, son los denomin dos skin p ss, que dej n l super cie en l s condiciones decu d s: c r s pl nop r lel s y sin rugosid des. En l zon de o in dor s el m teri l puede sufrir lgun peque tr nsform cin met lrgic n l, como consecuenci del proceso de enfri miento ms lento que tiene lug r dur nte el enfri miento de l m s de l o in . Si se quieren o tener per les especi les de uso estructur l h y que recurrir los ll m dos trenes univers les, que const n de rodillos hori zont les y vertic les. El l min do de tu os se puede cl si c r segn que involucre o no un proceso de sold dur . En el l min do de tu os sin sold dur se com in el l min do con el trep n do. Un rr de l s dimensiones decu d s l t m o n l de l tu o que se quiere f ric r se c lient unos 1200 C; est temper tur sufre un conform do do le: por un p rte es l min d medi nte rodillos con l form d ecu d y, l vez, se le pr ctic un t l dro p r conseguir el dimetro interior dese do. En el c so de tu os con sold dur , se p rte de un ch p cuyo espesor c orresponde l que se dese en el tu o; los rodillos poseen un seccin c n l d q ue v d ndo form l ch p , que se v com ndo progresiv mente h st que, en e l ltimo rodillo, los dos extremos entr n en cont cto. En este momento se h ce p s r l ch p por un electrodo que v sold ndo los ordes previ mente unidos. Est sold dur puede ser de diferentes form s, desde l ms sencill siguiendo un gene r triz del cilindro h st l ms complic d un lne helicoid l.

12 1.4. L min do Un c so p rticul r de l min do de tu os sin sold dur es el re liz do con un tre n Pilger (t m in ll m do de p so de peregrino). El lingote de proxim d mente sese nt centmetros de dimetro y dos metros de longitud se c lient unos 1200 C y se le somete un em uticin que le pr ctic el primer hueco, con lo que lc nz los cu tro metros. A continu cin se trep n y comienz l rg rse preci lemente. El tercer p so es el l min do de p so de peregrino en el cu l, medi nte l ccin con junt de un l min dor y un m ndril, se consiguen l s dimensiones n les, de unos v einte metros de longitud y espesor v ri le. Se denomin de p so de peregrino po rque el cilindro l min dor no es continuo, sino que imprime dos movimientos de v nce despus de los cu les l piez retrocede el equiv lente l mit d de lo v nz do y se repite el ciclo h st que todo el proceso termin ; por otr p rte, el rodillo de conform do no tiene un seccin cilndric sino p r lic , lo que implic un esfuerzo de compresin dicion l, simil r l de un forj do. El proceso es un l min do en c liente o semic liente, con temper tur s homlog s 0,4 TH 0,87, pero e l l min do puede re liz rse t m in en fro, l igu l que otros tipos de conform do. El l min do en fro no puede producir no de gr no ni endurecimiento por precipit cin, pero s un c m io en l textur del m teri l y un endurecimiento por deform cin , l rg miento de gr no, y un critud que puede ser elimin d medi nte un decu do recocido que devuelv su morfolog nterior l gr no result nte. El l min do en fro proporcion l m teri l un excelente est do super ci l, s como un geometr just d y un estructur homogne . 1.4.1.

L l min cin control d supone un c m io cu lit tivo en los procesos de l min cin, en ell se plic n los principios sicos de l fsic involucr dos en el conform d o plstico. En 1924, Arrowsmith se l l s vent j s del no de gr no en el l min do de m teri les; en 1925, H nem nn y Lucke lo rel cion ron con los procesos de recris t liz cin posteriores l deform cin en c liente y compro ron que estos procesos producen un no del gr no cu ndo se disminuye l temper tur de deform cin en l regin o -. En 1947, Barr y Tipper demostraron la relacin entre la transformacin dct a fr il y el tamao de rano, lo que corrobor los efectos bene ciosos de la laminacin c ontrolada sobre las propiedades mecnica del acero. El laminado en caliente se rea lizaba a temperaturas muy altas para conse uir una mayor ductilidad y menor dete rioro de las instalaciones; slo los ltimos pasos se realizaban a temperatura infer ior, pero su rado de deformacin implicaba que no existan procesos de recristaliza cin. No fue hasta la Se unda Guerra Mundial cuando se sistematiz y consolid la apli cacin de temperaturas inferiores a las que hasta ese momento se utilizaron en la laminacin. En un principio, los materiales fabricados con las nuevas tcnicas prese ntaban problemas de suras, debidas al comportamiento fr il del acero laminado y a la fati a. Para minimizar ese problema, se increment el contenido en aluminio y l a relacin man aneso-carbono. A su vez, se sistematiz el uso de temperaturas

L min cin control d

1. Procesos de conformado 13 ms bajas de laminado, observndose que los mejores resultados se obtenan laminando e n el lmite, justo por encima de la temperatura A3 . El objetivo de la laminacin co ntrolada es a nar el tamao de rano del producto nal y as obtener mejoras en la tenac idad y la resistencia del mismo. El proceso consta de tres fases: deformacin en l a zona de altas temperaturas y recristalizacin rpida; deformacin en la zona de no r ecristalizacin en un ran o pequeo de temperaturas por encima de Ar3 , y deformacin en la zona -. L deform cin en l zon de no recrist liz cin es import nte porque in troduce nd s de deform cin en el gr no ustentico. L deform cin en l zon ferrti co- ustentic (-) proporcion estructur s mixt s que consisten en gr nos equixicos y su gr nos. L diferenci fund ment l entre l l min cin control d y l tr dicio n l est en el hecho de que en l tr dicion l l nucle cin de l ferrit ocurre exc lusiv mente en l s fronter s de gr no, mientr s que en l control d tiene lug r so re todo en el interior de los gr nos p rtir de los su gr nos origin dos po r l deform cin, consecuenci de los mec nismos de recrist liz cin dinmic ; estos s u gr nos se tr nsform n en gr nos cuyo t m o es muy inferior los origin les e i ndependiente de los mismos. Los des rrollos recientes en l l min cin control d h n incluido: rede nir el p pel de los elementos le ntes en l s propied des n les e introducir nuevos micro le ntes t les como el nio io, v n dio y tit nio, que c ontrol n l temper tur de recrist liz cin y el crecimiento de gr no y producen e ndurecimiento por precipit cin. 1.5. Extrusin L extrusin es un proceso de conform do muy emple do p r m teri les termoplsticos , que sufren un elev cin de temper tur y medi nte un m olo son o lig dos p s r tr vs de un oc que determin su form . L extrusin puede ser invers , de for m que el m olo presion el m teri l so re un fondo rgido, h cindolo uir en sentido contr rio l despl z miento del pistn por los esp cios li res que se h n pr ctic do entre ste y el contenedor; puede t m in ser direct , cu ndo el m teri l uye tr vs de un ertur pr ctic d en l c r opuest l pistn. 1.6. Em uticin L em uticin es un proceso de conform do en el que un punzn ct so re el m teri l p r simil r su form l de un m triz. L s diferentes form s de plic r el p unzn o m olo so re el m teri l d n nom re otros t ntos tipos de em uticin. De e t enerse un cuid do extremo en el diseo de l s dos piez s sic s del proceso de em u ticin, y que el c m io de form de l piez ,

14 1.7. Tre l do veces muy centu do, implic un v ri cin del espesor y el peligro de que p rezc n pliegues e incluso griet s en l s zon s que experiment n m yor gr do de solic it cin. Los p rmetros ms dest c dos en l em uticin son: el cociente entre los D1 dim etros inici les y n les ( D2 = K), el espesor n l (e) y l velocid d de deform cin. Un fronter p r diferenci r los procesos de em uticin es l de nid por el v lor D1 D2 = 20e, ya que a partir de dicho valor es necesario utilizar dispositivos especiales de control para el punzn que eviten las diferencias de espesor. Las ve locidades de deformacin en el proceso de embuticin no pueden ser muy elevadas, ya que pueden producir gripados en el mbolo y rupturas en la capa de lubricante exis tente entre el punzn y el material. Un aspecto muy importante de la embuticin es e l material con el que se fabrica el punzn, ya que su forma debe mantenerse consta nte dentro de mrgenes muy estrictos, puesto que est sometido a esfuerzos muy eleva dos; as, debe poseer unas caractersticas bien de nidas de resistencia a la traccin, lm ite elstico, dureza y resistencia al desgaste. La embuticin es un proceso de confo rmado relativamente lento que produce deformaciones muy elevadas y, por tanto, r esulta muy adecuado para obtener piezas de geometra complicada. 1.7. Tre lado El tre lado es un mtodo de conformado en fro o a una temperatura su cientemente baja co mo para que pueda ser estirado mediante el cual se reduce la seccin de un producto cilndrico al hacerlo pasar por una boca, cuya entrada tiene el dimetro del materi al original y la salida el dimetro deseado. Cuando se quiere conseguir un product o perforado se simultanea el paso forzado por la boca con el uso de un mandril. Los parmetros ms signi cativos de este mtodo son la tasa de alargamiento y la existen cia de lubricacin; generalmente se proporciona un tratamiento super cial (del tipo de una fosfatacin), seguido de un lubricante lquido o slido. Las dimensiones nales s e pueden obtener con una sola pasada o bien con sucesivas de boca decreciente, a plicndose indistintamente a materiales frreos y no frreos. Una variante del tre lado es el estirado, que di ere del anterior en que la seccin del producto puede no ser circular. 1.8. Plegado El plegado es un mtodo de conformado que se aplica a productos planos a los que s e somete a una exin localizada en la que es necesario considerar la longitud de pl egado, ngulo, radio, espesor y longitud desarrollada. Hay una zona sometida a exot raccin en la que las bras se alargan y otra sometida a compresin, la interior, en l a cual las bras se acortan, existiendo tambin un plano que no sufre variacin dimens ional, llamado plano neutro.

1. Procesos de conformado 15 Si se considera una seccin normal, en lugar del plano neutro se tiene la bra neutr a, que sirve de referencia para establecer la longitud de la chapa que intervien e en la realizacin de un pliegue. Se puede admitir, con buena aproximacin, que cua ndo el cociente entre el radio de un pliegue y el espesor de la chapa es inferio r o igual a tres, la bra neutra se sita a una distancia de 0,3 o 0,4 veces el espe sor a partir del interior; para relaciones mayores la bra neutra tiende a situars e en la mitad del espesor. Existe un radio mnimo de plegado a partir del cual pue den aparecer grietas e incluso la rotura del material, dependiendo de la natural eza del mismo, de la anisotropa, del ngulo de plegado, de la longitud y del espeso r. 1.9. Conformado de materiales metlicos en estado semislido (tixoconformado) Introduccin 1.9.1. El conformado semislido es un mtodo de fabricacin hbrido que incorpora tanto element os de colada como de forja. Hoy en da se considera como tal un proceso de dos pas os para conformar con alta precisin componentes metlicos, utilizando materia prima en forma semislida, que presenta una microestructura no dendrtica sino microglobu lar, lo que con ere al material una naturaleza tixotrpica. Se considera que un mate rial es tixotrpico cuando se comporta como un uido no newtoniano, i.e., un uido cuy a viscosidad depende de los esfuerzos a los que se le somete y del grado de agit acin que experimenten sus molculas. Las propiedades tixotrpicas permiten que el mat erial pueda ser manipulado mediante mecanismos automatizados en su estado semisli do, facilitando la propia automatizacin de todo el proceso, as como el control de precisin y la productividad. La principal actividad comercial de esta clase de co nformado se centra en la forja semislida de una gran variedad de componentes de a leaciones de aluminio para aplicaciones militares, aeroespaciales y del sector d e la automocin. Existe tambin una signi cativa produccin de aleaciones de cobre para usos elctricos. Adems, se ha comprobado la validez de la tecnologa del conformado s emislido para la mayora de familias de aleaciones tecnolgicas, incluidos el cinc, m agnesio, cobre, ferroaleaciones, titanio y superaleaciones. 1.9.2. Consideraciones generales Las aleaciones semislidas exhiben un comportamiento viscoso tixotrpico: al ser som etidas a la accin de una fuerza de cortadura, la aleacin empieza a mostrar caracte rsticas de ujo similares a los uidos de alta viscosidad, tales como aceites de uso en maquinaria.

16 1.9. Conformado en semislido Se ha comprobado, asimismo, que la microestructura no dendrtica se conserva despus de ciclos trmicos que incluyen hasta el temple. Esto signi ca que la materia prima con estructura no dendrtica puede prepararse en una instalacin en la que se calie nta hasta alcanzar el volumen de fraccin de slido requerido: la palanquilla puede ser manipulada como si estuviera en estado slido, y solamente al ser sometida a f uerzas de cortadura durante el proceso de forja adoptar el comportamiento de un lq uido de alta viscosidad. La aleacin semislida se deforma a presiones muy bajas y uy e de una forma muy homognea, dando como resultado una estructura na y uniforme, vi rtualmente libre de porosidades; adems, se le puede proporcionar un tratamiento tr mico para conferir propiedades mecnicas superiores a las de fundicin. El inters eco nmico de la colada semislida radica en que, cuando el material es conformado en es tado semislido, necesita de unas temperaturas menores que si estuviera en estado lquido, de forma que la magnitud de los ciclos trmicos impuestos a los tiles se red uce y la vida de la matriz se prolonga. 1.9.3. Desarrollo del proceso de conformado en estado semislido El proceso de conformado en estado semislido requiere que el metal o aleacin tenga una microestructura esferoidal y de grano no al entrar en la matriz. Existen dos formas de conseguirlo: el rheocasting, un procedimiento que permite que el mort ero se origine en un mezclador y se lleve directamente a la matriz; y la forja s emislida, procedimiento por el cual el lingote se cuela en un molde provisto de u n mezclador, en el que se origina la microestructura esferoidal durante la colad a y se almacena para su uso posterior, cortndose de la palanquilla la cantidad ne cesaria, recalentndose hasta el estado semislido y conformndose en la matriz. Ha ha bido diferentes intentos, tanto en Estados Unidos como en Europa, de comercializ ar el rheocasting, pero ninguno de ellos ha sido viable; por el contrario, la fo rja semislida ya comenz a utilizarse en 1981, logrndose la comercializacin de la pro duccin de materia prima y la utilizacin de componentes forjadas en estado semislido , fundamentalmente en los sectores aeroespacial, de automocin, industrial y milit ar. Colada magneto hidrodinmica El mtodo mhd se desarroll para alcanzar las altas espec i caciones que se requeran de los materiales conformados en estado semislido; para e llo se empleaban equipos que permitan la exclusin de gases, xidos e inclusiones no metlicas, evitando tambin otras discontinuidades. Se demostr que hay una relacin imp ortante entre la velocidad de corte por agitacin y la velocidad de solidi cacin, det erminando el tipo de microestructura del conformado semislido que se genera. El m etal, una vez cerca del punto de solidi cacin en el molde, se agita vigorosamente m ediante un campo dinmico electromagntico para dar lugar

1. Procesos de conformado 17 a la microestructura globular. Al mismo tiempo, se produce una transferencia de calor, controlado por conduccin a travs de la pared del molde, hacia una camisa de agua que favorece el inicio de la solidi cacin. Hoy en da, los sistemas de colada m hd estn implantados en las principales fbricas de aluminio, tanto en la colada con tinua vertical como en la horizontal, produciendo aleaciones de aluminio semislid o que, una vez conformadas, proporcionan una amplia variedad de tamao de grano, 3 8152 nanmetros de dimetro. Control del proceso de colada El proceso de colada mhd ha sido desarrollado para producir palanquillas de aluminio adecuadas para la forja semislida a velocidade s competitivas, obligando a que la microestructura resultante sea no dendrtica y se encuentre libre de xidos, inclusiones no metlicas y gases. Otras variables de c olada son: Qumica de fusin. Temperatura de fusin: en un proceso caracterizado por r ealizarse en los lmites slido lquido, deben controlarse de forma ms precisa las cond iciones trmicas, ya que la microestructura que de ne la tixotropa dependen directame nte de la mismas. Velocidad de ujo del metal: debe supeditarse a que la viscosida d del material permanezca constante. Temperatura y velocidad de ujo del refrigera nte y del lubricante. Desgaseado y tcnica de ltraje mhd: son controles que permite n obtener un producto libre de poros e inclusiones. Conductividad trmica del mold e. Proceso de deformacin El conformado de metal semislido es un proceso de tres pasos . En primer lugar, se corta la palanquilla en las dimensiones deseadas. En segun do lugar, el trozo de palanquilla cortado denominado taco se recalienta hasta las condiciones de semislido buscadas. En ltimo lugar, se coloca el taco en la matriz, forjndose a continuacin para proporcionar la pieza deseada. Los elementos crticos del proceso son los siguientes: Prensa de forja. Dependiendo del tamao del compon ente, geometra, aleacin y calidad especi cada, las velocidades de conformado pueden variar desde los pocos centmetros por segundo hasta superar los cientos y las pre siones de moldeo de unos 14 a 1400 kilogramos. Matriz de forja. Las matrices par a la produccin de componentes de aluminio se fabrican normalmente con acero para herramientas aisi H13, endurecido y embutido hasta alcanzar la dureza adecuada.

18 1.9. Conformado en semislido Materia prima. La materia prima consiste en la palan quilla mhd cortada en una longitud tal que provea la masa necesaria para fabrica r la pieza. Los dimetros de la palanquilla mhd que son comerciales varan en un ran go de 40150 milmetros. Calentamiento del taco mhd. Para calentar los tacos pueden utilizarse una amplia variedad de mtodos. Los hornos elctricos que pueden emplears e van desde los hornos de calentamiento por conveccin o radiacin, hasta hornos de gas y de induccin. Conformado del componente. La secuencia actual de forja se com pleta en unas pocas dcimas de segundo. El ujo de material comienza con el impacto del punzn en el taco y, dada la naturaleza tixotrpica del taco mhd, el metal uye en la cavidad a presiones muy bajas. Solamente al nal del golpe de forja la presin a umenta hasta el nivel seleccionado para conformar el componente totalmente denso . Todos los componentes de aluminio forjados en semislido se tratan trmicamente me diante el enfriamiento desde la temperatura del proceso de conformado, bien medi ante envejecimiento arti cial, normalizado o boni cado. 1.9.4. Aplicaciones Las principales aplicaciones de la forja semislida se encuentran en la industria de la automocin, la aeroespacial y las aplicaciones industriales en general. La f orja semislida ha reemplazado a toda una serie de procesos entre los que se encue ntran la forja convencional, el moldeo en coquilla, el moldeo a la cera perdida, y en algunas circunstancias el moldeo por inyeccin y el estampado. Aplicaciones en el sector de automocin Las aplicaciones en este sector van desde componentes de unos pocos gramos hasta otros de una docena de kilogramos. Se pue den dividir en dos categoras generales: contenedores de presin y/o uido, y componen tes estructurales. Un ejemplo de estos ltimos son las llantas de automvil, tradici onalmente fabricadas por otros mtodos moldeo en coquilla, forja lquida. Las ventajas tcnicas del producto tixoformado se mani estan tanto en el peso hasta un 30 % ms lig eras que las moldeadas por otros mtodos y las caractersticas mecnicas como, sobre to do, en la capacidad de produccin. Otras ventajas destacables son: la calidad cons istente la estructura metalrgica de la palanquilla est controlada, puesto que se su ministra una materia prima extremadamente consistente; las derivadas de la estruc tura y propiedades al contrario de lo que ocurre en la forja convencional, las pr opiedades de la llanta son isotrpicas, re ejo de la estructura no dendrtica de la al eacin de aluminio 357 de altas prestaciones que se emplea en la palanquilla, y la versatilidad de diseo. Otras aplicaciones Como ejemplo de otras aplicaciones de la forja semislida puede n citarse los conectores elctricos destinados a instalaciones militares y aeroesp aciales, sometidos a grandes tensiones en servicio.

1. Procesos de conformado 19 1.9.5. Consideraciones nales

Las dos ventajas clave de la produccin mediante forja semislida son el grado de au tomatizacin que puede lograrse en el manejo del material y la precisin alcanzada m ediante el control del proceso. Las principales limitaciones tienen que ver con que la materia prima requiere una preparacin especial y existen menos fuentes dis ponibles, con los mayores costos y con el hecho de que se requieren tiles caros y especialmente diseados, adems de una fuerza de trabajo altamente cuali cada. 1.10. Conformado por moldeo El conformado por moldeo se ha utilizado desde tiempo inmemorial para la fabrica cin de piezas, ya que en muchos casos supone el camino ms corto entre el material en bruto hasta el producto terminado, cumpliendo las principales exigencias sobr e el diseo de todo tipo de elementos. Este tipo de conformado se de ne como aquel q ue requiere un molde, recipiente con la forma necesaria para que la pieza nal sea la deseada, que posea las caractersticas idneas para que el material uya ocupando cada resquicio de mismo, que presente una resistencia mecnica y trmica que no alte re la forma prevista y alcance una vida til razonable y, nalmente, que disponga de los dispositivos adecuados para poder separar la pieza sin que se produzcan daos . La tecnologa del moldeo y su viabilidad han transcurrido, por tanto, ntimamente ligadas a la existencia y evolucin de los moldes. El problema principal de las pi ezas conformadas por moldeo estriba en la casi imposibilidad de eliminar los def ectos inherentes al proceso: poros, segregaciones o estructuras de grano dendrtic o que se producen a lo largo del enfriamiento. Entre las ventajas de las piezas moldeadas se encuentran la precisin de las medidas super ciales, lo que implica men ores costos de limpieza y mecanizado; adems, poseen una excelente maquinabilidad y responden bien al tratamiento super cial. 1.10.1. Tipos de conformado por moldeo Fundicin en arena Es la forma de moldeo ms antigua. El molde se construye en arena con ayuda de un modelo, pieza negativa del mismo, lo que exige costes relativam ente bajos y modi caciones eventuales de la forma de la pieza fundida sin necesida d de mucho trabajo; por otra parte, el elevado punto de fusin de la arena la hace resistente a las temperaturas de casi cualquier material fundido. El moldeo en arena es muy apropiado para piezas aisladas, de gran tamao y muy complejas. Se em plea principalmente par metales de alta densidad y punto de fusin elevado (hierro , 1535 C; co re, 1083 C), mientr s que p r m teri les como el luminio (660 C) se e mple priorit ri mente l tcnic de moldes perm nentes. No o st nte, incluso cu n do se emple n moldes perm nentes, siguen

20 1.10. Conform do por moldeo

teniendo import nci l s p rtes destructi les del molde, como los m chos de ren , los e ederos y los liment dores. Por lo que respect los m teri les emple dos p r moldes, se distinguen los n tur les y los sintticos. Los n tur les suel en ser mezcl s de ren de cu rzo con rcill (1025 %); los sintticos estn form dos por mezcl s de ren de cu rzo que constituye el soporte sico con glutin ntes or gnicos e inorgnicos. L gr n vent j de los m teri les sintticos frente los n tur les es l const nci en su composicin y en sus propied des. P r nes especi les t m in se emple n ren s de circonio o cromit , s como gr nul do no de cero p r m et les de menor punto de fusin. Est s mezcl s present n m yor c p cid d de enfri miento que l ren de cu rzo, lo que permite dirigir l solidi c cin, especi lment e l de los m chos. L s ren s p r m chos, por ltimo, de en poseer un perme il id d ms elev d que l ren p r moldes. En cu nto l prep r cin del modelo, sue len emple rse m der s, yesos, plsticos y met les; recientemente, retom ndo l ide clsic del modelo perdido, se utiliz n sust nci s que no es neces rio retir r p r col r el met l: por ejemplo, poliestireno, que se vol tiliz l dir el lquid o metlico. P r f ric r los m chos, de e logr rse un uen mezcl de ren s. Lo s m chos de en poseer un gr n est ilid d dur nte l col d y un uen c p cid d de desmoron miento tr s ell ; p r logr r esto ltimo es import nte conseguir u n mezcl t l que un p rte import nte de ell se c lcine l col r, p r que los m chos se desprend n fcilmente de l s p rtes interiores de l piez molde d . P r logr r un piez fundid sin defectos, l solidi c cin de e inici rse en el punt o ms lej do de l entr d de met l o del liment dor y de e progres r uniformeme nte h ci l s zon s n les, y se de form espontne o medi nte enfri dores, que p ueden mejor r l estructur de l piez . En l p rte que solidi c en ltimo lug r d e e conseguirse un m z rot , zon residu l, de t m o mnimo, que re s el diseo de l piez y se elimin tr s l solidi c cin; l m z rot de e elimin r el pro lem de los rechupes internos y l s contr cciones de volumen. Su form , t m o y f cili d d de m nipul cin est ntim mente rel cion d con el diseo de liment dores o e ede ros. P r logr r un solidi c cin decu d es muy import nte dise r decu d mente l oc de vertido; l solucin ms sencill es un ens nch miento cnico, em udo, dise do de form que el met l lquido no llegue con excesiv velocid d comp do de tur ul enci s, p r evit r que se produzc erosin o se generen inclusiones g seos s o es pum . H y t m in em udos con form de rin que ct n como un sifn: no slo disminuyen l velocid d del met l sino que f cilit n l retencin de l s p rtcul s de xido e impu rez s. El c n l de col d , por ltimo, de e dise rse de form que impid l entr d tur ulent del met l lquido y se corte el cordn de col d ; gener lmente se pre ere llen r el molde desde jo. C e l posi ilid d de que en un c n l de col d el chorro de c ldo, l c o de un cierto recorrido, y no ocupe l seccin complet del c n l. L consecuenci inmedi t de este comport miento es el efecto eyector : se sor e ire tr vs de l ren del molde o de l s zon s divisori s y se pr ovoc l oxid cin y l form cin de espum s. El c n l de col d desem oc en un sis tem de distri ucin que conduce el met l l s secciones de entr d , procur ndo q ue no se originen tor ellinos ni se sor ire, que

1. Procesos de conform do 21 siempre est lleno y que exist un liger so represin. Cu ndo h y gr ndes diferenc i s de presin, de en disponerse sistem s de fren do que minoren l elev d energ cintic del lquido. Por ltimo, de e cuid rse extrem d mente que el c ldo no choque perpendicul rmente contr l s p redes del molde, p r evit r l form cin de espu m s y el deterioro de qul. Fundiciones en moldes perm nentes Cu ndo l s fundiciones se re liz n en moldes p erm nentes, se llev n c o ien so re coquill s o ien medi nte l inyeccin de l fundicin. En l fundicin en coquill , el molde se f ric gener lmente con cer o o fundicin, lo que implic costes elev dos y por t nto de en utiliz se p r ser ies rel tiv mente gr ndes. P r piez s de form s complic d s se utiliz n coquill s mixt s, re lizndose en ren l s p rtes intern s o m chos. Aunque h itu lment e el met l lquido se derr m en el molde por gr ved d, existe otr v ri nte, deno min d fundicin j presin, en l que el m teri l se introduce por l p rte inf erior del molde con un liger so represin y velocid d regul d . As se consigue un menor recorrido del m teri l, enfri miento dirigido y m yores posi ilid des de mec niz cin de todo el proceso. Los m teri les p r l s coquill s de en seleccion rse teniendo en cuent l resistenci l desg ste, su ptitud p r el mec niz d o, l dil t cin trmic , l conductivid d trmic y l resistenci los choques trmic os. L s coquill s de fundicin suelen present r un estructur de perlit n est i liz d con co re o plomo, y suelen le rse con moli deno p r ument r su resist enci , sometindol s un recocido de elimin cin de tensiones. Suelen tener un vid medi que depende del met l col do y que en el c so del luminio se j en sesen t y cien mil piez s col d s, dependiendo de lo complic do de su form . L s fund iciones tienen un conductivid d trmic muy superior l de los ceros p r tr j r en c liente. L s coquill s de cero p r tr j r en c liente poseen un vi d superior, de h st ciento cincuent mil piez s, emplendose ceros l cromo, cr omo-moli deno y cromo-moli deno-v n dio, cuyos contenidos en c r ono son de 0,20, 4 %. Un coquill const , princip lmente, de l s mit des de l m triz y de los c ursores y m chos. Puede ser m ciz , cu ndo tod s sus p rtes son de cero o fundi cin, o mixt , cu ndo emple m chos de ren ; l semicoquill , por su p rte, posee un p rte import nte del molde re liz d en ren . En funcin de cmo se lleve c o el llen do del molde, l fundicin en coquill puede cl si c rse en tres gr ndes grupos: por gr ved d, j presin y contr presin. En l fundicin en coquill j presin, se m nej el met l lquido con un presin rel tiv mente j . L m gnit ud de l presin viene determin d por l geometr de l piez , so re todo por el e spesor de p redes y por l ltur rel tiv del o y coquill . El recipiente p r el met l lquido, que puede ser un horno de crisol p r conserv cin de l temper t ur , o un horno de induccin con c n l, se m ntiene hermtico. L coquill se sit so re un t p der h ilit d t l n y se v llen ndo tr vs de un tu o que penetr c si h st el fondo del crisol, merced l ccin de l presin ejercid , cuy m gnitud, unid l de l seccin de l s entr d s, permite regul r el ujo de llen do de form que no p rezc n tur ulenci s. Un vez que l coquill est

22 1.10. Conform do por moldeo llen se m ntiene l presin el tiempo neces rio p r que l solidi c cin h y lc nz do el liment dor, momento en el que se extr e el ire del crisol o dispositivo de porte y el met l u ic do en el conducto de entr d retrocede h ci l. L pre sin g seos puede ser sustituid por c mpos electrom gnticos, cuy s fuerz s ct n d e m ner nlog , impuls ndo el lquido h ci el interior de l coquill . El procedi miento j presin permite control r de form complet el procedimiento de soli di c cin, lo que conllev un elev d c lid d en l s piez s s conform d s. Cu ndo e l llen do y l solidi c cin se re liz n un presin ms elev d se denomin fundicin e n coquill contr presin. En este c so el molde se u ic en un cm r de presin, e st lecindose un diferenci l de presin entre molde y cm r de 37 r, que impele l lquido llen r l coquill . L s piez s s fundid s poseen un porosid d muy infer ior y un estructur de gr no ms no, de ido l m yor velocid d de solidi c cin. L fundicin inyect d es l form de moldeo ms econmic p r gr ndes series, desde dim ensiones muy peque s h st dimensiones intermedi s, de ido l s p rticul rid des tcnic s y econmic s que conllev n. L s piez s o tenid s medi nte este procedimien to se c r cteriz n por l ex ctitud de medid s, s como por un gr n uniformid d en l s series. L velocid d de produccin es muy elev d y l gr n dur cin de los m oldes permite reproducir series sin necesid d de reponerlos. En este proceso se inyect el met l lquido lt presin y velocid d en los moldes, que suelen ser de cero refr ct rio, m ntenindose l presin dur nte l solidi c cin. El excelente nive l de c lid d lc nz do h ce que no se neces rio emple r procesos de c do t l es como el mec niz do. Adems, se consiguen piez s de p redes delg d s, con el ho rro de m teri l que eso conllev , e incluso pueden o tenerse t l dros, justes e inscripciones. L eleccin de m teri les decu dos p r los moldes emple dos en e l moldeo por inyeccin es fund ment l p r conseguir un uen c lid d de l piez y rent ilid d de l s inst l ciones; de en ser m teri les que no slo resist n lo s choques trmicos y l s solicit ciones mecnic s, sino que de en tener un uen so ld ilid d que permit efectu r rep r ciones y modi c ciones, dems de present r u en forj ilid d, m quin ilid d e indeform ilid d con los tr t mientos trmicos. Dentro de est s especi c ciones, d n uenos result dos los ceros le dos con cro mo, moli deno y v n dio o volfr mio. Un molde ien dise do y construido puede dur r, dependiendo de l complejid d de l piez , entre cu rent y ciento cincuent mil moldeos en el c so de piez s de luminio y un nmero superior cu ndo se tr t de m teri les polimricos. P r evit r l dherenci del m teri l l molde, s com o l erosin y el roz miento excesivos, se emple n medios desmolde ntes. Por ltimo, l f ric cin de lgn tipo de piez s puede revestir pro lem s espec cos en el llen d o del molde y en su homogeneid d, pro lem s que se rel cion n con l elimin cin d el ire presente en l c vid d del molde. Fundiciones especi les Existen un serie de c sos en los cu les, de ido l uso q ue se les pretende d r l s piez s, se emple n mtodos de f ric cin que ser n proh i itivos en otr s circunst nci s. Algunos de ellos son los siguientes:

1. Procesos de conform do 23 Fundicin de precisin. Se emple n glutin ntes de diferentes c r cterstic s que se v ierten so re los modelos. Despus de fr gu r l m s y elimin r el modelo, se sec n y cuecen l s p rtes del molde p r conseguir l perme ilid d g seos neces ri . L s piez s o tenid s medi nte moldeo utiliz ndo moldes de yeso comp do de di tivos t les como cemento, t lco, s les lc lin s o vidrio solu le se c r cteriz n por seguir form s muy complic d s con super cies extrem d mente lis s y contornos muy ien de nidos. Fundicin n . Emple moldes cermicos form dos por un sol unid d destin d un nic plic cin. L m yor p rte de l s veces se emple n modelos de cer moldeo l cer perdid . Se emple preferentemente p r piez s peque s que re quieren de un gr n precisin dimension l. Fundicin en molde l v co. Se suelen empl e r ren s sin glutin nte, consiguindose j r l ren suelt en l c vid d del mo lde jo l ccin del v co, con rindosele est ilid d dur nte el tiempo de col d y s olidi c cin. Moldeo con modelo perdido. El m teri l que se utiliz p r el molde se vol tiliz l cont cto con el met l fundido; el met l ocup s el esp cio del mo delo. Se puede emple r desde poliestireno exp ndido h st , en orfe rer , insectos o pl nt s que se dese n reproducir como joy s. 1.10.2. P rmetros del conform do por moldeo En primer lug r, de en conocerse l s c r cterstic s de l col d p r prever el t r nsitorio lquido-slido de l s diferentes le ciones, lo que posi ilit l seleccin de l ms decu d p r que l c lid d de l piez s tisf g l s necesid des de u so. Un piez de e poseer un estructur uniforme y comp ct y, ser posi le, n o de e present r rechupes ni inclusiones no metlic s, y t mpoco de e present r gr iet s, poros ni tensiones residu les. T m in es muy import nte conocer l form e n que se produce el des rrollo de l solidi c cin. En l solidi c cin exgen , l form c in de crist les comienz en l fronter lquido-molde, formndose crist les column re s ms o menos regul res segn l rugosid d de l s p redes del molde. L solidi c cin en dgen puede ser de form p stos o por c p s, result ndo los crist les sensi leme nte esfricos. Otro specto import nte de l col d es su uidez, ntim mente rel cion d con l m yor o menor c p cid d del lquido p r reproducir elmente l form del molde. T nto p r medir l uidez como l c p cid d de llen do se utiliz n espir les de seccin norm liz d , siendo l longitud de espir l rellen d el p rmetro de comp r cin entre l s divers s le ciones. Otro specto tener en cuent es el co mport miento del m teri l en el proceso de liment cin i.e., el proceso de tr nspo rte del m teri l en est do lquido o p stoso h ci el interior del molde, de form que se segure un solidi c cin dirigid y continu h st form r un piez homogne . Un uen comport miento en l liment cin g r ntiz poc porosid d de contr ccin

24 1.11. Simul ciones del conform do en l piez n l. T m in es import nte conocer l tendenci h ci l form cin de rec hupes. Los rechupes son defectos de form que se origin n dur nte el enfri mient o e c si todos los met les y que, en gener l, tienen m yor volumen espec co en est do lquido que en est do slido. Los rechupes externos son elimin les cort ndo l p rte fect d , unque suponen un coste dicion l de ido l m teri l desech do y l posterior control de form . Los rechupes internos, unque son de t m o inferi or, implic n un prdid de l s c r cterstic s mecnic s y, por t nto, de c lid d en l piez . El o jetivo priorit rio de l tcnic de vertido es concentr r tod s o l m yor p rte de l s de cienci s de volumen en l p rte exterior, p rticul rmente en l m z rot de l piez . P r ello, es fund ment l dirigir l solidi c cin de l piez , lej ndo l s ltim s zon s solidi c d s del interior y proximndol s l e ed ero y c vid d de vertido p r que l ser elimin d s no fecten l form dese d . Un specto ms consider r es l posi le p ricin de griet s en el enfri miento de ido l s contr cciones del met l. Si, dems, l s r mi c ciones en l form imp lic n zon s de diferente m s , super cie de cont cto con el molde y, por t nto, di ferente rgimen de enfri miento, l s tensiones de id s l gr diente trmico son usu les y pueden provoc r griet s cu ndo el met l comienz perder movilid d. Por lt imo, de e tenerse en cuent l contr ccin de solidi c cin. A diferenci de los rechu pes, se tr t de un c m io de dimensiones line l tri ui le l dil t cin o cont r ccin de todo met l con l temper tur . Este proceso se puede ev lu r conociendo el coe ciente de dil t cin del m teri l. 1.11. Simul ciones del conform do El conform do de m teri les es un proceso complejo y c ro y dems emple m teri l es de precio elev do, lo que implic que si despus de conform r un piez no lc nz los niveles de c lid d exigidos por el usu rio, se producir el rech zo de l mism . En el c so del conform do de semiproductos pl nch s, rr s, p l nquill s s e estn m nej ndo tonel d s de m teri l, con lo que su v lor es consider le. Cu n do se tr t de un piez c d o prctic mente c d , el pro lem estri en q ue se suelen h cer los controles de c lid d de form est dstic , con l consecuen ci de que l deteccin de defectos en un nmero limit do de piez s conllev el rech zo de tod l p rtid . H y un serie de defectos tri ui les l propio proceso d e conform do, y que los m teri les se ven sometidos esfuerzos c d vez ms inte nsos y elev d s velocid des de deform cin, con mrgenes de temper tur s c d vez ms estrechos. As pues, los l or torios de c lid d de l s empres s recurren, de m ne r c d vez ms sistemtic , l estudio terico de los procesos de conform do p r min imiz r los mrgenes de error y reducir los costes de f ric cin. Los procesos de co nform do vienen c r cteriz dos mecnic mente por tres

1. Procesos de conform do 25 p rmetros: l temper tur , l velocid d de deform cin y el esfuerzo plic do. L r espuest l s solicit ciones extern s de los m teri les depende de t l c ntid d de v ri les que es extrem d mente complic do proces rl s en form teric : l c p cid d del sistem de clculo exceder mpli mente l c p cid d de cu lquier orden dor; dems, l import nci rel tiv de c d v ri le no es const nte. Por ltimo, los estudios enc min dos prever l respuest nte el conform do de los m teri les estn sujetos p tentes o, simplemente, no son divulg dos por l s empres s de l sector, que usc n ir siempre por del nte de l s empres s competidor s. Un pri mer p so p r conocer el comport miento del m teri l cu ndo se somete un proce so de conform do es el estudio de l ductilid d. Los ens yos que proporcion n d tos l respecto pueden ser de tr ccin, compresin o torsin, poseyendo c d uno de el los vent j s e inconvenientes y siendo los r ngos de velocid des, temper tur s y gr dos de deform cin los que consej n su eleccin. En ens yo ms sencillo de re liz r es el de tr ccin, pero l s velocid des gener liz d s de deform cin ms lt s l s que se puede re liz r son muy inferiores l s que norm lmente se emple n en l os procesos de conform do. Los ens yos de compresin, que permiten lc nz r lt s velocid des, t m in son difcilmente c lcul les en funcin de l velocid d de despl z miento de l prens , present ndo dems el pro lem de l friccin entre l pro et de ens yo y los elementos de empuje, y el c m io de seccin rreling que sufre l pro et l comprimirse. Por ltimo, el ens yo de torsin permite lc nz r gr ndes v elocid des de deform cin y deform ciones muy elev d s sin pro lem s de geometr , p ero l deform cin que produce puede no ser homogne y el v lor de l s tensiones co rrespondiente c d proceso no es directo ni sencillo de c lcul r. En de nitiv , se requiere de un gr n conocimiento de los procesos que se v n simul r p r de termin r los r ngos de temper tur , velocid d y gr do de deform cin que se pueden reproducir de form extr pol le en l inst l cin industri l. En todo c so, el e studio de ductilid d port inform cin muy import nte so re los lmites de temper t ur y velocid d de deform cin de c d m teri l. Un vez que se puede prever l ev olucin de l ductilid d del m teri l, l prctic comn exige conseguir un ley teric veri c le que reproduzc su comport miento, lo que equiv le o tener su ecu cin de est do. Si esto no fuer posi le, de e utiliz rse un ecu cin fenomenolgic que permit sustituir de est do sin rest r ilid d los clculos y previsiones del c omport miento del m teri l. Cu ndo se estudi el comport miento en uenci de los m teri les metlicos, un de l s ecu ciones ms utiliz d s es l ecu cin de G rof lo, que posi ilit prever el comport miento del m teri l en un mplio r ngo de temp er tur s, velocid des gener liz d s de deform cin y tensiones: e RT = A sinhn , dond e el primer miembro equivale al parmetro de Zener-Hollomon Z y en el egundo A, y n son const ntes del m teri l, siendo l velocid d de deform cin Q

26 1.11. Simul ciones del conform do

P = = 0 d + 0 d,

d = 0 1 0 Ae RT inhn ()d. Q Un vez conocid l ecu cin de G rof lo, e uede h cer u o de ell r con eguir lo m de rendimiento y de e t bilid d del conform do y obtener un m yor inform cin y obtener un m yor inform cin de lo r ngo de tem er tur y velocid de de deform cin en lo que e obtiene un mejor rendimiento energtico. El rendim iento tot l e obtendr c lcul ndo l integr l G, ero lo im ort nte de e to v l ore no e t en u m gnitud b olut ino en l rel tiv entre diferente zon de tr b jo.

o, de otra forma, P = G+J, donde G, el contenido di ipador, e la da en la deformacin in cambio en la e tructura interna, y J, el ipador, e la potencia ga tada en la deformacin con un cambio en terna. Puede obtener e una relacin de factore de e ciencia para iendo e ta ecuacin por la potencia umini trada. De e te modo e e donde e obtiene e ta otra ecuacin: J = 1

potencia ga ta co-contenido di la e tructura in G y J, G y J , divid tiene 1 = G + J, d

l temper tur T y l tensin lo valore que e pueden obtener de lo encia, a partir de lo cuale e puede calcular la energa de activacin y lo parmetro A, y n. El p so siguiente de e servir p r proporcion cerc de l s condiciones ptim s de conform do desde el punto de vist miento energtico. El conform do lt temper tur puede n liz rse por l potenci suministr d l m teri l, P , que puede dividirse en los dos de l siguiente ecu cin:

en ayo de u aparente Q r inform cin del rendi medio de trminos

C tulo 2 Sinteriz cin 2.1. Introduccin El trmino interiz cin de cribe un roce o de inter ccin entre rtcul , ctiv do tr mic mente, dur nte el cu l un m de olvo que uede e t r com ct d de m ner m o meno fuerte, o bien un bloque de olvo com ct do, e den i c r olidi c r con l com o icin ree t blecid . Por exten in, t mbin e re ere lo diver o roce o , gener lmente f ico , que tienden v ri r l oro id d del conjunto. L int eriz cin e el roce o fund ment l r el conform do en ulvimet lurgi , ro orc ion ndo l iez l re i tenci y e t bilid d exigible r u u o o terior. Se re liz tem er tur levemente inferiore l tem er tur de fu in del elem ento m yorit rio de l mezcl , lo que rovoc un roce o de difu in tmic que int en i c el cont cto entre rtcul , increment ndo de e form l inter ccione d ebid l ten in u er ci l. El roce o debe re liz r e b jo tm fer control d y , d do que l tem er tur de interiz do o cil entre el 60 y el 90 % de l tem er tur de fu in del elemento b e, en interiz do de elemento diferente uede uceder que uno o v rio de lo elemento minorit rio lc ncen l tem er tur de fu in. En e te c o e rimordi l control l f e lquid r que no ltere l form n l bu c d . Dur nte el interiz do, el i tem de rtcul , que o ee un elev do nivel de energ libre, e tr n form en un i tem m e t ble y meno oro o. El mec ni mo conductor del roce o e , reci mente, l diferenci de energ entre el e t do inici l y el n l que e roduce cu ndo l rtcul tr t n de en contr r el e t do de mnim energ , i.e., cu ndo reducen l u er cie , t nto l in tern como l b rrer de olvo enc ul do o l fronter de gr no como l extern l fronter entre rtcul o l u er cie de cont cto entre oro inte rconect do . Al mi mo tiem o e elimin n defecto e tructur le , e eci lmente me di nte el cont cto entre rtcul dy cente que e h n gener do en el roce o d e com re in, gr ci l inter ccin de l fronter de gr no de gr n ngulo. En de n itiv , en l interiz cin e tr n ort n gr nde c ntid de de m teri medi nte e l glomer do de olvo .

28 2.2. El conform do ulvimet lrgico 2.2.

L form de conform do que com ite de form m direct con el interiz do e el m oldeo de reci in o el moldeo l cer erdid . Recientemente el interiz do h ex eriment do un im ort nte de rrollo, debido f ctore tcnico l dem nd de r oducto de difcil hechur do medi nte lo mtodo tr dicion le y econmico h bid cuen t de que en el interiz do e roducen meno rdid de m teri y e elimin n ci ert et de f bric cin. Un recedente hi trico de e te ti o de conform do e ti ene en lo ntiguo mtodo de com ct cin, que u l n l c renci de horno ro i do r lc nz r l fu in del hierro con l reduccin de men n tur le de c rbn v eget l, obtenindo e un e onj metlic que o e c r cter tic com r ble l m teri ulverulent que e interiz en el conform do ulvimet lrgico; u elev d u er cie intern o ibilit l tr n ferenci de m teri de form recid como ucede entre rtcul de olvo, com ctndo e medi nte forj el m teri l homogen eiz do. E t fue l tcnic em le d or lo hitit en el iglo xiii .C. r f bric r e d , con l que derrot ron un im erio u erior t nto org niz tiv c omo cultur lmente, el egi cio. Un mejor de e t tcnic fue l f rg c t l n , que e em le dur nte l oc rom n h t el iglo xiii. L ulvimet lurgi , como roc e o de conform do e c l indu tri l, e em le or vez rimer en 1827, cu ndo e l cient co ru o P. Sobolev ky f bric moned de l tino interiz ndo y e t m ndo o lvo de e e met l. En 1900, Auer von Wel b ch lic obre olvo de o mio l int eriz cin y ren do r obtener l mento de l m r de form direct , y que lo olvo glutin do e interiz b n gr ci l o de l corriente elctric . En 1910 e u tituy el o mio or volfr mio. Poco de u , en 1920, e comenz ron f b ric r bronce oro o utolubric nte r l indu tri de l utomocin. El m yor em uje recibido or el roce o de conform do ulvimet lrgico tuvo lug r l lic rlo l le cione de c rburo de volfr mio glomer d con cob lto comerci liz d con el nombre de widi , que e convirtieron en c i im re cindible r l i ndu tri de corte, iendo de u o gener liz do h t nue tro d . 2.3. Fund mento terico del interiz do El interiz do e l unin de rtcul lt tem er tur , unque inferiore l de fu in, medi nte mec ni mo de tr n orte tmico en e t do lido. A e c l mic roe tructur l l unin e re liz gr ci l crecimiento cohe ion do de lo cuello de unin que e form n entre l rtcul que entr n en cont cto. Lo c mbio e tructur le oci do l crecimiento del cuello de unin dur nte el interiz do e rigen or mec ni mo de tr n orte que corre onde, en u m yor rte, roce o de difu in. L den id d de v c nte y el nmero de tomo con energ u ciente r cu rl viene de nid or l ley de Arrheniu : Q N = e RT , N0

El conform do

ulvimet lrgico

o

2. Sinteriz cin 29 N donde N0 e l r zn de e cio ocu ble or tomo ctiv do frente l nmero tot l de lo mi mo , Q l energ de ctiv cin, R l con t nte de lo g e erfecto y T l tem er tur b olut . interiz cin e inici l oner e do rtcul en cont cto; l tem er tur y l re in h cen que e forme un zon comn en oco tiem o, que crece de form rel t iv mente r id . El egundo o, que nece it un tiem o m l rgo, v elimin ndo r i t en l zon de cont cto de mb rtcul l vez que crece l u er cie de l mi m y e em iez n de rroll r, en l zon comn, ro ied de diferente l de l rtcul e r d . E te c mbio uede ir com do de un rogre ivo i l miento de lo oro y un r lentiz cin de l velocid d de interiz do. Lo oro bierto e h cen ine t ble y di minuye u volumen rel tivo, de form que e lc nz el 92 % de l den id d teric ; lo oro cilndrico e col n tr n formnd o e en e frico , l interconexin de oro de rece y el gr diente de den id d di minuye. El e t do n l, que e lc nz teric mente en un tiem o in nito, e el de un ol rtcul cuyo dimetro e 1,26 vece el dimetro inici l de l rtcul inte riz d . L energ de interiz do e rel tiv mente eque . Si e con ider el m te ri l con tituido or e fer de dimetro D, con un energ u er ci l sv , la ener a ne cesaria por unidad de volumen asociada con la prdida de rea total ser: 6sv E = . V D Los procesos de transporte pueden ser de dos tipos: transporte super cial y trans porte en volumen. Los procesos de transporte super ciales incrementan la super cie d e contacto desplazando la masa por medio de mecanismos de evaporacin-condensacin, difusin super cial y difusin en volumen. Los procesos de transporte volumtricos promu even el crecimiento de la zona de contacto a travs de mecanismos internos, tales como uencia plstica, difusin por fronteras de rano y difusin en volumen. 2.3.1. Estado inicial En el momento del contacto entre partculas, el crecimiento del cuello de la zona de contacto (de nido como la razn X ) puede expresarse se n la ecuacin: D X D n = Bt , Dm donde X es el dimetro del cuello, D el dimetro de partcula, t es el tiempo de sinte rizado y B un parmetro que depende del material y su eometra. La ran dependencia del inverso del tamao de partcula indica que las partculas ms pequeas facilitan el s interizado; los incrementos en la temperatura del proceso, aunque sean pequeos, i nciden notablemente en su desarrollo; y adems, el factor tiempo tiene una in uencia inferior a la de la temperatura del proceso y el tamao de partcula.

L

30 2.3. Fundamentos tericos del sinterizado En los procesos re idos por transporte de masa se producen variaciones en el esp acio entre partculas, producindose una contraccin simultnea con la compactacin. La ap roximacin entre los centros de las partculas pude relacionarse, de forma aproximad a, con el tamao de la zona de contacto mediante la expresin: 2 X L . = L0 D La cinti ca de la contraccin, en esta primera fase del sinterizado, se de ne por: L L0 n 2 = Bt , 2n D m siendo D el dimetro de partcula y t el tiempo de tratamiento isotrmico; n 2 posee u n valor comprendido entre 2,5 y 3 y los valores de B vienen tabulados y dependen , adems, de la temperatura, se n la expresin si uiente: B = B0 e RT . Q (2.1) 2.3.2. E t do intermedio El e t do intermedio e determin nte r lc nz r l ro ied de n le del rod ucto interiz do; e c r cteriz or l evolucin de lo roce o de e feroidiz cin de oro , den i c cin y crecimiento de gr no. L velocid d de den i c cin de ende de l difu in de v c nte y e uede ex re r como: d = JAN , dt exp esin en la que J e s el ujo de tomos po unidad de tiempo y ea, A es el ea utilizada en la difusin, N el nme o de po os po unidad de volumen y el volumen atmico. La p ime a ley de Fic k pe mite a ma que la densidad del sinte izado evoluciona segn la exp esin: s = i + Bi ln t ti , donde s es la densidad del sinte izado, i es la densidad al inicio de la segunda e tapa, Bi adopta los valo es de la ecuacin (2.1) y t es el tiempo de sinte izacin. 2.3.3. Etapa nal

La etapa nal es un p oceso lento en el que los ices de g ano. Los po os, colapsados y ya de fo las vacantes continuando la cont accin de las cidad de densi cacin mediante la siguiente exp

po os aislados se ubican ma esf ica, se difunden pa tculas. Puede cuanti esin: d 12Dv = dt kT

en los v t a t avs de ca se la velo G3 2 Pg ,

2. Sinte izacin 31 donde es la densidad, t el tiempo, el volumen atmico, Dv la difusividad en volu men, k la constante de Boltzmann, T la tempe atu a absoluta, G el tamao de g ano, la ener a de tensin de vapor, r el radio del poro y P la presin del as en el por o. 2.4. Compactacin previa en el sinterizado En muchas ocasiones, el polvo que va a ser sinterizado se somete a una compactac in previa; esa preparacin se hace cuando se pretende obtener una porosidad na y uni forme. Comprimiendo el polvo antes del sinterizado se reduce la porosidad inicia l rosera y adems se incrementa la densidad de dislocaciones, con lo que el proce so de compactacin puede ser diri ido para obtener una pieza nal con la porosidad d eseada, tanto en dimetro de poro como en la distribucin de los mismos. La compacta cin previa tambin contribuye a incrementar la densidad y el nivel de contacto, mie ntras que reduce la velocidad de crecimiento de cuello y de contraccin aproximacin entre centros de partculas. En los materiales compactados previamente al sinteriza do, las dislocaciones pueden interactuar con las vacantes y mejorar, de este mod o, el transporte de masa. 2.4.1. La pieza en verde La compactacin da forma al material y lo dota de una resistencia mnima que facilit a su manipulacin. Se suele realizar rellenando un molde que, al i ual que en el p roceso de conformado por moldeo, posee la forma adecuada para que la pieza obten ida se adapte a las dimensiones deseables y sea susceptible de experimentar un t ratamiento de nitivo. Una vez que el polvo ha sido compactado de acuerdo con las c aractersticas del molde y a la presin establecida, se extrae lo que se denomina la pieza en verde. Esta pieza posee una densidad en verde, v , que obviamente esta comp endida ent e la del polvo no compactado y la del mate ial slido. Si pa a ea liza la compactacin p evia se ellena un molde de volumen V con una masa V de po lvo, se puede de ni la densidad apa ente del mate ial inicial como a = M . Si la d ensidad del mate ial , entonces la V densidad de la pieza en ve de est ligada a la p esin de compactacin, p c , po una exp esin del tipo: v = 1+ a 1 eKpc n

siendo K y n constantes del p oceso. La densidad apa ente depende de la fo ma de los g anos, de su tamao y de la dist ibucin de los mismos; cuando hay tamaos dife entes de g ano, la mayo densidad se consigue cuando los g anos pequeos pueden oc upa los huecos que quedan ent e los g andes; mient as que cuando los g anos son del mismo tamao, la mxima densidad apa ente se consigue con fo mas p ximas

32 2.5. Sinte izado de polvos mixtos a la esf ica. Se pueden aadi lub icantes que pe miten el acomodamiento de pa tcula s bajo el efecto de la p esin de compactacin. Habitualmente, la compactacin p evia se ealiza mediante un mbolo que acta sob e una zona p efe ente; po ello, la dens idad apa ente no posee un valo homogneo en todo el volumen de la pieza en ve de, sino que dec ece con la distancia del punto de la pieza conside ado al punto de aplicacin de la p esin. 2.5. Sinte izado de polvos mixtos Mediante el sinte izado de polvos mixtos se pueden obtene t es tipos de est uct u as sinte izadas: est uctu as con tamao de pa tcula clasi cado, soluciones slidas y composites. La mezcla de polvos de la misma composicin pe o tamao de pa tcula hete ogneo da luga f ecuentemente a p oductos de alta densidad. La utilizacin de polvo s mixtos puede tene las siguientes ventajas: facilidad pa a el cambio en la com posicin, mayo comodidad de comp esin ya que el polvo tiene meno du eza f ente a tensiones aplicadas, fo macin de est uctu as ms homogneas y densi cacin mejo ada. No o bstante, el cont ol de la tempe atu a debe ealiza se de mane a muy cuidadosa. L a inte ca a ent e fases ayuda a la c eacin de vacantes que eta dan el c ecimient o de g ano. Si la difusin de los dife entes polvos tiene velocidades muy dife ent es, la fo macin de po os tiene luga como consecuencia de la dife encia de difusi vidades, pudiendo apa ece p otube ancias, sob e todo si los puntos de fusin son muy dife entes. El sinte izado de polvos mixtos, en de nitiva, es muy complejo deb ido a las dife entes eacciones de fase y a los efectos de homogeneizacin, que so n difciles de cont ola . 2.6. Sinte izacin fo zada Se comp enden bajo el nomb e de sinte izacin fo zada un conjunto de tcnicas cuyo n es disminui la ene ga de activacin con objeto de sinte iza a tempe atu as ms baja s. La fo ma ms e caz de baja la ene ga de activacin del p oceso es utiliza un dopan te, elemento mino ita io cuyas ca acte sticas fsicas favo ezcan el p oceso. Un eje mplo es el del volf amio utilizado pa a consegui ecub imientos supe ciales; al t ata el volf amio con metales de t ansicin tales como nquel, paladio o platino, se consigue que el p oceso de sinte izado tenga un endimiento muy supe io al d el volf amio sin aditivos. En gene al, el elemento activado no supe a, en masa, un 3 % del total y pa a que se conside e e caz debe confo ma se a una tempe atu a infe io a la del mate ial base; debe tambin tene una g an solubilidad en el me tal base y debe pe manece seg egado en las inte ca as du ante el sinte izado y tene un bajo punto de fusin. Las adiciones qumicas, hasta el momento, son el medi o ms utilizado y con mayo e cacia pa a activa el p oceso de sinte izacin. La cintic a de una sinte izacin fo zada est dete minada po la velocidad de difusin del eleme nto que acta

2. Sinte izacin como activado . 33 2.7. Sinte izado con fase lquida

En sistemas bifsicos que involuc an polvos mixtos puede sucede que se fo me una fase con bajo punto de fusin. Esta fase, que debe se la p ocedente del polvo min o ita io, se t ansfo ma en lquido dando luga a un sistema mixto slido lquido. En d icho sistema el lquido puede pe miti el t anspo te pido de mate ia y, en consecu encia, agiliza el sinte izado, sob e todo si concu en cie tas condiciones: (1) se debe p oduci la humectacin, i.e., la fase lquida debe fo ma una pelcula sob e la fase slida; (2) el slido debe se soluble en el lquido, y (3) la difusin de los t omos disueltos del slido debe se lo su cientemente pida como pa a ga antiza una e volucin, tambin pida, del sinte izado. La pelcula lquida p opo ciona una tensin supe ial que facilita la densi cacin, consiguindose velocidades muy po encima de las hab ituales en el sinte izado en fase slida. El lquido humectante debe actua en zonas de pequeo ngulo de contacto , de nido por el e uilibrio de las energas super ciales de acuerdo con la expresin: SV = SL + LV cos , donde SV es la ener a slido-vapor, SL ner a slido-lquido y LV la ener a lquido-vapor. Una vez mojado el polvo por la fase l ida, se or aniza una estructura slido-lquido que se puede esquematizar considerand o que los dos ranos estn rodeados de lquido, alcanzndose el equilibrio cuando los ranos slidos forman cuellos estables totalmente mojados. Esta condicin de equilib rio es diferente a la del sinterizado en estado slido, en la que el cuello entre ranos evoluciona hasta el nal del sinterizado. En este tipo de sinterizado, el t amao X de cuello estable viene dado por el tamao de rano G y el n ulo de acuerdo c on la ecuacin X = G sin , 2 determinndose el ngulo por el balance de energa super c , segn SS = 2SL cos donde SS es la ener a de super cie slido-slido, correspon2 di ener a de las fronteras de rano. Habitualmente el n ulo es pe ueo, del orden de 20 0 y el volumen de lquido no super el 15 % del tot l. 2.7.1. Densi c cin En el sinteriz do con f se lquid , p rtir del momento en que se h form do el lq uido uye y moj l s p rtcul s slid s, re grupndose y s contri uyendo

34 2.8. Oper ciones prctic s y sus efectos su densi c cin. Con un c lent miento prolong do, l c ntid d de f se lquid se inc rement , y que l f se slid comienz disolverse en ell h st que se s tur . En ese momento l f se lquid se convierte en l port dor de los tomos en f se sli d . Es un proceso denomin do solucin-precipit cin en el que los gr nos pequeos se d isuelven y, posteriormente, precipit n otr vez, integrndose en los gr nos m yore s. 2.8. Oper ciones prctic s y sus efectos

2.9. Tcnic s de conform do en c liente A los m teri les comp ct dos pulvimet lrgic mente se les pueden plic r procesos secund rios de conform do igu l que cu lquier otro m teri l, simplemente tenie ndo en cuent los p rmetros de temper tur y velocid d de deform cin decu dos. Aq u se descri irn quellos procesos de conform do que son espec cos de los m teri les s interiz dos. 2.9.1.

El Hot Isost tic Pressure (hip) es un proceso de comp ct cin en el que se emple n troqueles exi les con presuriz cin isotrpic . El m teri l pulverulento puede ser m uy diverso cero, tnt lo, crist l, dependiendo de l temper tur mxim del proceso, y que de e ser deform le en el momento de l consolid cin, producindose l conso lid cin en un recipiente con tmsfer control d presiones de unos 200 MP . Este mtodo es muy utiliz do en l f ric cin de componentes eroesp ci les con m teri l se de super le ciones de nquel, tit nio y luminio, s como p r f ric r piez s de m teri les compues-

Comp ct cin isosttic

Los esfuerzos del f ric nte se centr n en optimiz r l unin entre p rtcul s medi nte l reduccin de xidos, l homogeneiz cin de polvos y l disminucin de l porosid d groser inici l. P r le ciones comp ct d s en m triz, los c m ios dimension les de idos l sinteriz do de en ser inferiores l 0,1 %. P r ceros inoxid le s y otros m teri les troquel dos lt s temper tur s, el c m io dimension l pue de lleg r un 2,5 %. En lgunos procesos p r polvos precomp ct dos, l contr c cin del sinteriz do puede lc nz r un 15 %. Algun s de l s oper ciones prctic s ms usu les y los efectos que producen se pueden resumir del siguiente modo: (1) el control del t m o de p rtcul s ument l velocid d del proceso, pero es ms c ro y dems increment el nivel de impurez s; (2) ument r l temper tur de tr t mient o proporcion un m yor densid d y h ce ms corto el sinteriz do, pero es ms c ro e induce el crecimiento de gr nos y poros; (3) increment r l densid d del m teri l en verde disminuye l contr ccin de id l proceso; (4) ument r el contenido de le ntes h ce m yor l resistenci n l.

2. Sinteriz cin 35 tos y herr mient s de cero. Recientemente se est des rroll ndo un tcnic denomin d comp ct cin re ctiv isosttic en c liente (rhip). Por ejemplo, el m teri l Ti B2 denso se f ric por este mtodo p rtir de un mezcl de polvos de tit nio y oro que se enc psul n y proces n 100 MP y 700 C; en es s condiciones se ctiv un re ccin que produce TiB2 y 293 kJ/mol, con lo que l re ccin es utosostenid .

2.9.2.

L o tencin de un presin hidrosttic en hip es muy c r , por lo que se h n des rro ll do mtodos ltern tivos p r conseguir un presin uni xi l que cte so re un sist em de viscosid d medi , conteniendo un m teri l en polvo preconform do. El elem ento que h ce posi le el proceso es el jo punto de fusin de lgn componente, met l l ndo o slido gr nul r. El medio tr nsform l presin uni xi l en un fuerz p seudohidrosttic cuy m gnitud es, proxim d mente, un tercio de l tensin plic d . 2.10. Spr y Forming y Pl sm Spr y El proceso de spr y forming utiliz un tomiz dor p r producir un difusin de p rtcul s que se deposit n en un su str to mvil con l form de l piez que se dese f ric r, o tenindose un solidi c cin rpid con un densid d muy elev d . El proce so se plic en le ciones de nquel, co re y luminio. De form simil r l tcnic nterior, puede utiliz rse un ntorch de pl sm con un temper tur superior los 5000 C. El polvo de met l es proyect do so re un sustr to; l h cer cont ct o con l, l s p rtcul s v n depositndose y solidi c ndo. H y p rtcul s que h n solidi c o en el tr yecto y se em e en en l zon ms uid que v envolviendo l gu , consigu indose s un recu rimiento de lt densid d. A este proceso se le conoce como pl s m spr y. Se de e lc nz r un equili rio en el t m o de l s p rtcul s p r que, po r un p rte, se despl cen rpid mente y no se n excesiv mente pes d s y, por otr , p r que no se glomeren ntes de tiempo. Un t m o de 4080 micr s se consider pti mo. El uso ms gener liz do de este proceso se h ce en recu rimientos densos que p rotegen de l oxid cin, corrosin o t que trmico. 2.11. Aplic ciones L tcnic del conform do pulvimet lrgico se plic, en sus orgenes, m teri les v n z dos y prctic mente experiment les, pero se h extendido s tod s l s re s de l met lurgi . Es dest c le, sin em rgo, su uso en los componentes frreos estruct ur