Conformación metálica

Conformación metálica

Pere Molerá Sola

P R O D U C T I C A

Colección «Prodúctica» Dirección técnica: José Mompín Poblet © MARCOMBO, S.A., 1991 Reservados todos los derechos de publicación, reproducción, préstamo, alquiler o cualquier otra forma de cesión del uso de este ejemplar en cualquier idioma por  MARCOMBO, S.A. Gran Via de les Corts Catalanes, 594 08007 Barcelona (España)

Quedan rigurosamente prohibidas, sin la autorización escrita de los titulares del "Copyright", bajo las sanciones establecidas en las leyes, la reproducción total o parcial de esta obra por cualquier medio o procedimiento, comprendidos la reproerafía y el tratamiento informático, y la distribución de ejemplares de ella mediante alquiler o préstamo públicos, así como la exportación e importación de esos ejemplares para su distribución en venta, fuera del ámbito de la Comunidad Económica Europea.

ISBN: 978-84-267-0809-0 Depósito Legal: B. 1881-91 Impreso en España Printed in Spain Fotocomposición: FOINSA - Gran Via de les Corts Catalanes, 569 08011 Barcelona Impresión: Vanguard Gràfic, S.A. -Joan Miró, 17-19 - 08930 Sant Adrià de Besòs (Barcelona)

Presentación

La conformación metálica es un conjunto de procedimientos de dar forma a las piezas metálicas. Si en el transcurso del proceso de la conformación metálica el sustrato está, en alguna etapa, en estado fundido, en este caso la conformación metálica recibe el nombre de moldeo. Si se trata de dar forma a un cuerpo rígido por modificación plástica –o permanente– de su forma primitiva, entonces se denomina hechurado. La técnica del hechurado se puede realizar en caliente o en frío y mediante arranque de viruta o sólo por deformación plástica. Otros procedimientos de conformación metálica son la galvanoplastia, la pulvimetalurgia, la soldadura, etc. La utilidad de los metales está íntimamente relacionada con las propiedades físicas, químicas y mecánicas de su naturaleza y composición y a la posibilidad de darles la forma adecuada a cada aplicación concreta. De ahí se desprende la importancia del conocimiento de los procedimientos de conformación metálica, procedimientos capaces, a su vez, de modificar las propiedades de las piezas o elementos que componen el producto (máquina, instalación, accesorio, aparato, etc.) metálico. Todos estos aspectos son los que vamos a desarrollar en las páginas que siguen, considerándolos desde un punto de vista práctico. El autor 

5

Índice general

PRESENTACIÓN ............................................................................... MOLDEO .......................................................................................... Fundamentos.................................................................................. Técnica ........................................................................................ Moldes ............................................................................................ Contracción y gases en las piezas moldeadas ............................ Fusión .......................................................................................... Solidificación gradual ..................................................................... Diseño de los moldes .................................................................. Modelos ....................................................................................... Procedimientos de moldeo ........................................................... Moldeo en arena ........................................................................... Materiales .................................................................................... Realización ..................................................................................... Maquinaria y herramientas para el moldeo con arena .................... Colada ........................................................................................... Defectos ....................................................................................... Control de arenas ........................................................................ Ensayo de humedad .................................................................... Resistencia a la compresión en verde ......................................... Contenido en agua y tiempo de mezclado óptimos ...................... Resistencia a la compresión en seco ........................................... Permeabilidad .............................................................................. Granulometría .............................................................................. Moldeo con escayola y con cemento ............................................ Moldeo de precisión o a la cera perdida ....................................... Moldeo en cáscara. Procedimiento Croning o "Shell molding" . Moldeo en coquillas ..................................................................... Moldeo a presión o por inyección ................................................... Moldeo por centrifugación ............................................................ Colada continua ........................................................................... Moldeo en chapas........................................................................... GALVANOPLASTIA O ELECTROCONFORMACIÓN ........................

5 11 12 16 16 18 19 22 23 24 26 26 26 30 33 34 35 36 36 37 37 38 38 39 39 40 43 44 45 48 49 50 51

NUEVAS TÉCNICAS DE MOLDEO ................................................... Moldeo direccional ....................................................................... Monocristales ............................................................................... Metales amorfos ...........................................................................

53 53 54 57

HECHURADO .................................................................................. Fundamentos..................................................................................

59 59 7

Conformación metálica

Técnica en caliente ....................................................................... Forja ................................................................................................ Forja de preformas sinterizadas ................................................... Laminación .................................................................................. Extrusión ...................................................................................... Tubo extrusado por prensado ........................................................ Extrusión por impacto ................................................................... Técnica en frío ............................................................................... Laminación .................................................................................. Cizalladura ...................................................................................... Embutición....................................................................................... Embutición con estirado ............................................................... Doblado ........................................................................................ Repujado ....................................................................................... Fabricación de tubos .................................................................... Estirado de los tubos soldados ..................................................... Trefilado...........................................................................................

60 63 66 66 68 70 70 71 71 72 73 75 76

MECANIZACIÓN................................................................................. Mecanizado con arranque de viruta ............................................. Mecanizado por abrasión ............................................................. Mecanizado ultrasónico................................................................... Mecanizado térmico ..................................................................... Nociones de electromecanizado ..................................................... Fundamentos .................................................................................. Técnica ......................................................................................... Ventajas........................................................................................... Inconvenientes .............................................................................  Aplicaciones ....................................................................................

83 83 83 83 84 84 86 90 90 91 91

HECHURADO POR EXPLOSIÓN .................................................... Técnica ......................................................................................... Parámetros...................................................................................... Hechurado electrohidráulico ..........................................................

93 93 95 95

COMPACTACIÓN ISOESTÁTICA EN CALIENTE.............................. Fundamentos .................................................................................. Campo de aplicación ....................................................................... Técnica ......................................................................................... Instalación .................................................................................... Equipo ...........................................................................................  Autoclave..................................................................................... Horno........................................................................................... Moldes o cápsulas .................................................................... Fluidos ......................................................................................

97 98 99 100 102 103 103 107 108 109

SOLDADURA...................................................................................... Tig ................................................................................................ Mig................................................................................................... Mag ................................................................................. ............. Soldadura al arco con electrodo revestido ................................... Soldadura con arco sumergido ..................................................... Soldadura con plasma ..................................................................

111 111 111 111 113 114 114

8

77  77 

79 80

Índice general

Soldadura por resistencia................................................................  Aplicación de la compresión isostática en caliente en la soldadura Técnica ........................................................................................  Aplicaciones de la soldadura por HIP..............................................

115 115 117 120

PULVIMETALURGIA .......................................................................... Obtención de polvos metálicos ....................................................... Propiedades de los polvos.............................................................. Los tratamientos de los polvos .................................................... Compactación ............................................................................... Teoría de la compactación.............................................................. Sinterización ................................................................................ Calibrado ........................................................................................  Acabado ....................................................................................... Infiltración .................................................................................... Carburos cementados, carburos sinterizados o metal duro ....  Aplicaciones de la compactación isostática en la pulvimetalurgia Método ASEA STORA .................................................................

121 122 124 124 126 127 127 130 130 130 131 131 132

BIBLIOGRAFÍA .................................................................................

133

9

Moldeo

Las formas que presentan los metales después de obtenidos a partir de sus menas en muy contadas ocasiones son utilizadas directamente para fines industriales. Aparte de sus inherentes composiciones químicas o propiedades mecánicas, estos metales no tienen una forma que sea prácticamente útil. En general, los productos metálicos obtenidos en la metalurgia extractiva se someten a determinadas operaciones de conformación, para darles forma: son las distintas etapas de fabricación por moldeo, por hechurado, por pulvimetalurgia y por soldadura.

El moldeo consiste en la obtención de las piezas metálicas dentro de los moldes en los que se vierte el metal líquido. Los materiales metálicos que son aptos para el servicio en el estado de moldeo han de poseer ciertas propiedades que contribuyan a producir piezas útiles. Entre las propiedades favorables para este fin se encuentran las siguientes: colabilidad o gran fluidez, la pequeña contracción y la poca sensibilidad a los esfuerzos que necesariamente se producen en las operaciones de moldeo. También es necesario que el material una vez solidificado posea una microestructura conveniente para que su trabajo lo haga después con fidelidad; para la mayoría de las aleaciones no férreas la microestructura que adquiere la pieza moldeada durante la solidificación persiste después toda su vida. Desde luego, la microestructura se puede modificar por distintos tratamientos térmicos, según constitución de la aleación. La práctica del moldeo comprende tres etapas principales: preparación del molde, fusión de los metales que integran el material y colada del 11

Figura 1. Cuadro sinóptico de los procedimientos de conformación metálica.

Conformación metálica

metal fundido dentro de las formas requeridas. Es evidente, pues, que la metalurgia del moldeo ha de tratar; no sólo del comportamiento del metal a la aleación en estado fundido, sino también de los fenómenos asociados con el paso del material de la forma líquida a la sólida. El moldeo es una industria básica, pues con él se obtienen muchas formas, sencillas o complejas de un metal. La forma más sencilla de moldeo es el lingote, pero, en realidad, existe una diferencia esencial entre el lingote y una pieza moldeada, aun cuando el fenómeno parece idéntico en ambos casos. El lingote es sólo la etapa inicial de las operaciones a que se ha de someter el material hasta su forma y uso final. En cambio, la pieza moldeada, una vez sólida, esencialmente tiene la forma final, y, en general, para su acabado sólo requiere, relativamente, un corto número de operaciones. Sin embargo, es muy frecuente que en la fabricación de las piezas moldeadas, la obtención de la forma requerida se considera relativamente sencilla en relación con el cuidado y atención necesarios para lograr las propiedades deseadas. Las condiciones en que se realiza el moldeo tiene una influencia muy pronunciada sobre las propiedades del metal. Figura 2. Gráfica del  enfriamiento de un líquido metálico: temperatura en función del tiempo.

FUNDAMENTOS Los fundamentos del moldeo radican en el proceso físico de la solidificación. Se entiende por solidificación el cambio del estado líquido al estado sólido. En este fenómeno físico se aprecian los siguientes hechos: 1. La solidificación ocurre a lo largo del tiempo, como se aprecia en la figura 2 (tramo horizontal, después del subenfriamiento). En los crisoles se ha esquematizado el proceso de la solidificación desarrollado a lo largo d e 12

Moldeo

la gráfica abc: a, nucleación; b) crecimiento esférico libre; c) metal solidificado. 2. Existe subenfriamiento. Los sólidos tienen una temperatura de fusión constante con la presión, pero es muy corriente encontrar, en los procesos de enfriamiento de líquidos metálicos, este estado por debajo de la temperatura de fusión (Figura 2). 3. En las piezas grandes de metales solidificados se aprecian segregaciones y porosidades (Figura 3). Figura 3. Distintos tipos de segregaciones, o zonas de distinta composición química,  porosidad y rechupe en una  pieza g rande de acero solidificado en molde.

4. En la sección longitudinal a la dirección del enfriamiento de las aleaciones de interés práctico se aprecian, a nivel microestructural, tres zonas: en los extremos del molde donde ha solidificado, una zona equia xial, de grano más bien pequeño, en el centro del molde otra zona equlaxial y entre estas dos zonas (zona intermedia) se aprecia otra de granos grandes y alargados, de aspecto más o menos dendrítico. Esta fenomenología se interpreta considerando que el mecanismo de la solidificación tiene lugar por nucleación de pequeños cristales del mismo metal o de impurezas, lo que da lugar a las denominadas nucleación homogénea, y nucleación heterogénea, respectivamente. Después, este núcleo va creciendo a partir del líquido que lo circunda hasta que se agota el líquido y este cristal se encuentra ya rodeado de otros cristales. De este 13

Conformación metálica

modo se explica el hecho experimental que la solidificación no es un fenómeno instantáneo sino que ocurre a lo largo del tiempo. Los líquidos metálicos están formados por agregados atómicos con átomos que pasan de un agregado al otro con relativa facilidad. El tamaño de estos agregados estaría en función de la temperatura del líquido. Cuando el tamaño de estos agregados sobrepasa un tamaño denominado crítico tienden a crecer de manera espontánea. Como que sólido y líquido tienen distinta energía libre de Gibbs (G s y G1, respectivamente) al aparecer un núcleo sólido en el seno de un líquido tiene lugar una disminución de energía: ∆ Gv=(4/3).!.r 3 (G s – G1), si se supone un núcleo de forma esférica de radio r. A temperaturas inferiores a las de fusión GS < Gs y esta diferencia es tanto más acusada cuanto menor es la temperatura. Por este motivo existe una disminución de la energía libre de Gibbs del sistema, lo que indica estabilidad: los sistemas evolucionan hacia la disminución de energía. Figura 4. Variación de la energía libre de Gibbs de un núcleo de solidificación o cristalización esférico, que aparece en el seno de un metal líquido, en función del  radio.

 Al aparecer un núcleo de solidificación también se genera una intercara sólido-líquido. Si la tensión superficial de esta intercara vale o, se crea un aumento de energía libre de Gibbs: "GS=4. !. r 2. #. Estas variaciones de energía libre dependen del radio del núcleo de cristalización, como se aprecia en la figura 4. El valor máximo de esta energía (AGcrit) corresponde al valor del radio crítico: r c.  Este valor se obtiene derivando la energía libre en función del radio e igualando a cero.

14

Moldeo

 A medida que el radio crece esta energía crece, pero a partir de un valor determinado del volumen del núcleo de solidificación, radio crítico, al aumentar la longitud del radio, el valor de la energía libre de Gibbs decrece. Si en un momento determinado un núcleo tiene un radio menor que el radio crítico, este núcleo tiende a desaparecer, pues un aumento de este núcleo supondría un aumento de energía libre de Gibbs del sistema. En cambio si el núcleo de cristalización tiene un tamaño superior al indicado por el radio crítico, este núcleo espontáneamente tiende a crecer. El tamaño crítico disminuye con el aumento del subenfriamiento. Por este motivo se comprende que a la temperatura de la nucleación homogénea, el tamaño del núcleo crítico se vuelve lo suficientemente pequeño para que se puedan formar los núcleos estables como resultado de las fluctuaciones térmicas de los átomos. Esta dificultad termodinámica de formación de núcleos que originan la solidificación explica la existencia del subenfriamiento en los procesos de este cambio de estado. En el fenómeno de la solidificación se generan segregaciones o falta de homogeneidad. Existen las macrosegregaciones, las microsegregadones y la segregación inversa. La macrosegregación se debe a la existencia de una constante de reparto entre el sólido y el líquido y a la gravedad. La microsegregación se debe a la existencia de direcciones preferentes Figura 5. Dendritas, primarias, secundarias y terciarias.

15

Conformación metálica

de crecimiento en los distintos cristales. Pero el aumento de temperatura en la intercara sólido-líquido producida por el efecto endotérmico de la solidificación origina ramificaciones secundarias en la ramificación generada por la dirección preferente de crecimiento. El resultado final es la existencia de microsegregación en forma de dentritas (Figura 5). La contracción de volumen que representa el fenómeno de la solidificación crea porosidad. La porosidad que aparece en la etapa final de la solidificación puede originar el paso del poco líquido remanente hacia la superficie de la pieza solidificada. Es lo que se denomina segregación inversa, pues en una aleación de solubilidad total en estado líquido la última fracción de líquido que solidifica es el que presenta una mayor temperatura de fusión y suele ocupar la superficie de la pieza moldeada, es decir, la zona propia del sólido de menor temperatura de fusión. TÉCNICA Las piezas moldeadas se hacen vertiendo el metal líquido en un molde, previamente construido y diseñado conforme a un modelo, y dejándolo solidificar. Moldes, modelos y técnicas de solidificación se describen a continuación. Figura 6. Esquema de las  principales partes de un molde: aa, línea de partición; c, macho; f, bebedero; g, entrada; r, mazarota; s, arena.

MOLDES La mayoría de las piezas moldeadas se hacen en moldes formados con arena seca o verde –denominada así según que los moldes se desequen o no en estufa antes de llenarlos con el metal–, consolidada alrededor de un modelo o cuerpo sólido que reproduce la forma del objeto que se trata de moldear y que es eliminable mecánicamente o a mano. Pero como pocas piezas son bloques sólidos, la mayoría de los huecos que tienen se consiguen colocando machos con la forma del espacio deseado. 16

Moldeo

Las bocas y conductos que se dejan en el cuerpo del molde para permitir el vertido y entrada del metal se llaman bebedores, canales y surcos de colada (Figura 6). La entrada se suele incorporar al modelo. El metal líquido entra en el molde por las bocas. Según la forma y tamaño de la pieza hay que dejar respiraderos y mazarotas, o salidas, para comprobar que el metal ha rellenado adecuadamente las partes más altas del molde. En la figura 7 se representa una pieza moldeada con el bebedero, canales, bocas y mazarotas. Los requisitos de la mazarota son principalmente cinco: 1) que en ella se encuentre la última posición del metal que solidifique; 2) ha de cubrir  Figura 7. Pieza colada verticalmente con mazarota, canal de alimentación, bebedero, etc.

17

Conformación metálica

completamente el área de moldeo que requiere alimentación; 3) ha de tener suficiente volumen para compensar la contracción metálica dentro de la pieza; 4) ha de mantenerse la fluidez del metal para que pueda fluir desde ésta y penetrar hasta la última cavidad de contracción, y 5) ha de establecer efectivamente un gradiente de temperatura pronunciado dentro del molde, de modo que la pieza solidifique en dirección hacia el rebosadero. Las mazarotas son de dos tipos: abiertas y ciegas. Las primeras están abiertas a la superficie, y las segundas quedan completamente encerradas en el molde excepto un respiradero que puede haber desde ella a la superficie superior del molde. CONTRACCIÓN Y GASES EN LAS PIEZAS MOLDEADAS La mayoría de los metales disminuyen de volumen al solidificar (Figura 8). Para evitar las cavidades al contraerse el metal en la pieza moldeada, es necesario que la mazarota solidifique al final y haya canales de flujo desde el metal fundido de la mazarota a todas las partes de la pieza a medida que solidifica, lo que permite obtener piezas sanas. Figura 8. Volumen de los metales líquidos y sólidos. Contracción producida por solidificación.

Otra causa de porosidad en las piezas moldeadas son los gases retenidos. Las cavidades gaseosas se pueden distinguir de las cavidades de contracción por la forma esférica de aquéllas. Los gases pueden proceder de la humedad o de otras sustancias en el metal; del vapor de agua de la atmósfera, gases o fundentes del horno; o quedar libres del metal líquido durante su enfriamiento y solidificación debido a la disminución de la solubilidad del gas disuelto; o por reacciones químicas entre los componentes del metal. El mejor ejemplo de porosidad producida por la disminución de la solubilidad es la liberación de hidrógeno en el aluminio o en 18

Moldeo

el cobre, en tanto que el desprendimiento del monóxido de carbono en el acero es el mejor ejemplo conocido de la reacción química. Para la eliminación de los gases del metal fundido antes de moldearlo, basta con poner éste en equilibrio en una atmósfera inerte que contenga una pequeña presión parcial del gas respectivo, si bien se ha de tener en cuenta que varios factores influyen para que el equilibrio se alcance lentamente: la mayoría de los metales, y muy especialmente el aluminio, forman una capa de óxido que impide la salida del gas, y aún en las mejores circunstancias, se necesita mucho tiempo para que el gas difunda hasta la superficie del metal fundido. Estas dos dificultades se pueden vencer haciendo pasar un gas inerte a través del metal fundido que impida la formación de las películas protectoras y disminuya la necesaria difusión. Con el nitrógeno seco y otros gases se consiguen en este sentido buenos resultados. Figura 9. Esquema de un homo de crisol utilizado para el moldeo de metales.

FUSIÓN La fusión de los metales se realiza en hornos. Los principales hornos utilizados para este fin son los siguientes: Hornos de crisol (Figura 9). Se trata de un reactor, generalmente de forma troncocónica, construido con elementos refractarios o de metal o de 19

Conformación metálica

Figura 10. Homo de reverbero. A, hogar; B, solera o crisol donde se funde el  metal; y C, chimenea para la salida de humos.

ambos materiales. El horno de crisol se calienta externamente por mediación de fuel o eléctricamente. Hornos de reverbero (Figura 10). El horno de reverbero comprende tres Figura 11. Homo eléctrico de arco.

20

Moldeo

partes principales: A, el hogar donde se introduce el combustible y, por combustión, genera calor; B, el crisol o solera, donde se funde el metal o aleación, por convección y radiación del calor originado en el hogar y C, chimenea, para la eliminación de los gases de la combustión. Hornos de arco eléctrico (Figura 11). Los hornos de arco eléctrico gene-

ran calor por aplicación de fuerza electromotriz entre dos electrodos, que suelen ser el fondo del horno y uno o varios electrodos de grafito artificial situados en la tapa del horno. Son los hornos más utilizados para el moldeo. Figura 12. Horno eléctrico de inducción.

Hornos eléctricos de inducción (Figura 12). Se trata de recipientes de

material cerámico refractario que actúan como inducidos de un inductor de un transformador eléctrico. Las corrientes de Foucault (véase magnetohechurado en este libro) generan calor para fundir la masa de metal férreo 21

Conformación metálica

del crisol, además de producirle agitación suficiente para homogeneizar la masa. En caso de fundir metales de bajo punto de fusión, no magnéticos, se debe introducir, en el horno, un núcleo magnético que actúa de inducido y de foco térmico. Cubilote. En realidad el horno de cubilote es un horno alto pero de dimensiones más reducidas. Se trata de un horno, empleado para el moldeo de la fundición, que produce metal fundido de modo continuo. Su funcionamiento es muy versátil, pues el control de su alimentación puede ser muy rudimentario. Se alimenta de arrabio y de chatarra de fundición y de hierro, además de carbón de coque (con porcentajes de cenizas inferiores al 10% y de azufre no superior al 1 %) y de carbonato cálcico. El metal líquido del horno se vierte en las cucharas de colada (figura 13) y se cuela en los moldes.

Figura 13. Cuchara de colada.

SOLIDIFICACIÓN GRADUAL Para asegurar la solidificación gradual se aconseja que, en general, para el moldeo de las piezas de los metales no férreos se haga el vertido por la parte superior situando las mazarotas cerca de las partes más gruesas de las piezas. Se puede mejorar la llegada de metal con el empleo de mazarotas ciegas o cubriendo las cerradas con arena una vez que se ha llenado con metal. La contracción en la solidificación del metal fundido produce cambios de dimensión durante el enfriamiento y han de tenerse en cuenta en el diseño del molde. Estos cambios también obligan a que las mazarotas 22

Moldeo

tengan una sección mayor que la parte más ancha del molde, con el fin de asegurar que en las partes donde hay contracción, el metal puede llenar ésta, pues de otro modo aparecen defectos en forma de huecos. La solidificación ha de empezar en las partes más pequeñas y alejadas de los bebedores, y debe proceder gradualmente en dirección a los respiradores y las mazarotas. En aquellas partes ha de encontrarse el metal más caliente con cierta presión hidroestática para llenar los huecos que se formen durante la contracción de éste. El tiempo de solidificación depende del espesor, y de la manera de realizarse la cristalización hasta tomar la forma de la pieza; el diseño se ha de elegir bien para evitar los planos de pequeña resistencia. Las secciones delgadas que solidifican primero, deben encontrarse en la parte baja de la caja, en tanto que las secciones que tienen pequeña relación de área a volumen, y que, por lo tanto, solidifican con mas lentitud, han de estar en la parte superior de la caja. La velocidad de la cristalización se regula mediante compensadores que aumentan el espesor de la sección en la dirección de respiradero, y la velocidad de enfriamiento se regula mediante inserciones de metal. Las mazarotas se han de construir de modo que se evite la agitación del metal introducido por ellas para que no se formen óxido ni escorias.  Asimismo se ha de evitar la turbulencia que produciría la erosión del molde. La cantidad de metal que ocupan los bebederos y las mazarotas, que forman los desperdicios, varía mucho de unas aleaciones a otras, según el diseño del molde y la calidad y propiedades que se desean en la pieza moldeada. DISEÑO DE LOS MOLDES Las principales reglas para el diseño de los moldes son las siguientes: 1) Para que no hayan defectos en las piezas es necesario que las mazarotas abastezcan de metal fundido a la parte inferior de las mismas, por lo que debajo de aquéllas no puede haber una disminución de sección. 2) La sección conviene que sea lo más uniforme posible para evitar la formación de grietas en caliente. 3) Se han de evitar los ángulos agudos, pues es donde se originan los lugares más calientes y los planos de debilidad, merced a la cristalización. 4) Se ha de disminuir al máximo los lugares en que puede haber una cavidad de contracción. 5) Se ha de tener en cuenta que donde se encuentran varias secciones cambia la velocidad de enfriamiento, y esto altera las propiedades del material. 6) Se ha de evitar las tensiones debidas al moldeo. 7) Cuando se desea la máxima eficacia se proyectan costillas y ménsulas. 8) Se ha de facilitar la contracción o cambio de dimensiones del metal debido a la solidificación. 23

Conformación metálica

9) Se ha de tener en cuenta el material que se ha de eliminar en las operaciones posteriores: mecanizado, etc. MODELOS El modelo es la fiel reproducción de la pieza (modelo al natural) a fabricar, aunque con otras dimensiones, pues hay que tener en cuenta la contracción volumétrica de la solidificación. Para la fabricación del molde de arena aglomerada o reproducción en negativo de la misma, se emplean en la actualidad diversos tipos de modelos. Estos modelos han de tener unas propiedades determinadas: — Precisión y estabilidad, con inclusión de la contracción del metal colado. — Facilidad de desmoldeado. — Duración suficiente. — Resistencia a la abrasión y a la corrosión en función del punto anterior. En la actualidad se emplean tres tipos de materiales en la fabricación de estos modelos, en base a las características finales que se desean obtener de los mismos: madera, escayola, metal y resinas. Cada uno de ellos cumple unos requisitos determinados para los que han sido diseñados. Con el empleo de los moldes no permanentes, tales como la arena, escayola y cemento, y el moldeo de precisión de la cera perdida, se necesitan modelos con la forma requerida; en el último caso, el modelo se emplea una sola vez. Los modelos que se requieren para los primeros pueden ser de madera, metal, escayola o plásticos. El material más corriente es la madera, que se trabaja con facilidad. Presenta el defecto de ser muy susceptible a la influencia de la humedad. Con frecuencia se recomiendan los modelos permanentes de metal cuando se han de hacer gran cantidad de moldes. También se utilizan materiales composites para fabricar modelos (Figura 14). Las características que se obtienen en este tipo de modelos son las siguientes: — Aplicables a todos los sistemas de moldeo y compactado. — Resistencia a la compresión similar a los modelos metálicos. — Resistencia a la abrasión superior a la de los modelos metálicos. — Desmoldeado de mayor calidad que cualquier material clásico. — Tiempo de ejecución similar a la resina. — Costo semejante al de los modelos de resina y muy inferior al de los modelos metálicos. — Aplicación perfecta a todos los tipos de s eries a producir. Estos modelos están compuestos básicamente, por: — Una base de resina epoxy con carga metálica. — Una capa de aleación ligera construida mediante proyección de metal fundido por arco voltaico. — Una ulterior capa de níquel, depositada químicamente, que aporta al modelo una dureza cercana a 50 HRc. En el modelo de la cera perdida se emplean varios materiales, tales 24

Moldeo

como la cera o la parafina, metales fusibles y hasta mercurio a temperaturas que éste es sólido –38,5 °C). Los metales fusibles se utilizan cuando la técnica requiere machos complicados o es difícil extraer los modelos. El material a emplear en el modelo depende del diseño de la pieza, número de moldes que se han de hacer y métodos de fusión empleados. Los modelos pueden ser de los tipos siguientes: a) modelos sencillos, b) modelos con bebedores, c) modelos adaptados a una placa, y d) semimodelos: modelos separados para el marco superior e inferior de una caja. El modelo sencillo se usa sólo para la producción limitada o para grandes piezas moldeadas. El molde se puede dividir en partes con el fin de facilitar el moldeo. No contiene bebedores, respiradores ni mazarotas para el exceso de metal fundido. Las partes superior e inferior de la caja han de hacerse al mismo tiempo, pues el modelo no se coloca ajustado a aquélla. El moldeador necesita bastante tiempo para interceptar a mano los canales y las entradas en el molde, con lo que aumenta el coste de las piezas de moldeo, además de ser insegura a la calidad de las mismas. Figura 14. Corte transversal de un modelo utilizado en el moldeo y construido de "composite": 1, resina epoxi; 2, capa de cinc; 3, níquel.

Los modelos con bebedores ahorran algún tiempo en la fundería, moldería o, impropiamente, fundición. Los modelos instalados en placas, con frecuencia tienen sus bebedores marcados. Estos pueden ser de metal o de madera, y permiten hacer más rápida la producción de los moldes. Este tipo de modelo se pone entre las partes superior e inferior de la caja, la cual se llena con la mezcla de arena y arcilla; al separar aquéllas y quitar el modelo,*al volverlas a juntar han de coincidir las partes superior e inferior de la caja. La placa de acoplamiento no necesita ser plana, con tal de que 25

Conformación metálica

tenga un espesor uniforme en dirección normal a la división del molde, y esto es necesario en distintas partes de la pieza para poder quitar el modelo. En el uso de estos modelos hay que asegurarse de que se puede extraer, por lo que han de tener una inclinación. Con resinas que se endurecen por el calor (son líquidas y solidifican al calentarlas y ya permanecen después sólidas) se hacen modelos de plásticos, planchas de acoplamiento y cajas de machos. La contracción es pequeña, la temperatura de endurecimiento es de unos 60 °C, son resistentes a la humedad y se puede conseguir con ellas superficies muy lisas. Estos modelos se hacen a partir de otros de madera, escayola, caucho sintético y hasta de aleaciones de bajo punto de fusión, tales como las aleaciones de bismuto-plomo. En la fabricación de gran número de piezas moldeadas, con frecuencia se necesita más de un modelo, y el coste de la reproducción de los modelos de plástico es, con frecuencia, menor que el de los modelos de madera o metal. PROCEDIMIENTOS DE MOLDEO  A continuación se describen los principales procedimientos utilizados para el moldeo. MOLDEO EN ARENA En cuanto a tonelaje de piezas fabricadas, el moldeo en arena figura como el principal procedimiento. Por este motivo se describe con mayor amplitud que los otros, desglosándose en los apartados materiales, realización, maquinaria, herramientas, defectos, control. MATERIALES Las arenas se utilizan para construir moldes no permanentes. Los principales requisitos de estos materiales de moldeo son:  plasticidad, resistencia mecánica incluso a elevadas temperaturas,  permeabilidad y disgregabilidad.

Las arenas empleadas en las morderías pueden ser naturales o sintéticas, según procedan de la naturaleza, aunque se les hayan agregado algunos aditivos, o se hayan fabricado a base de mezclar los distintos componentes, respectivamente. La masa de la arena ha de ser fácilmente conformable y ha de resistir el calor del metal fundido. Además del carácter refractario de la arena, tiene importancia la cohesión entre los granos de arena lograda con el material de unión. Ciertas arenas de moldeo tienen un material de unión muy refractario, casi igual que el de la arena, pero otras arenas contienen un material de unión menos refractario. El molde de arena ha de formar un cuerpo y mantener la forma una vez que se ha compactado por presión, y resistir la fluencia y la presión del metal fundido. Algunos metales en estado fundido, tales como el bronce y el acero, tienen una pronunciada acción erosiva sobre la arena. Con humedad, muchas arenas naturales presentan la propiedad de formar masas compactas merced a la presencia de arcilla húmeda, que 26

Moldeo

actúa aglutinando. La composición de las arenas naturales utilizadas para fabricar moldes suele ser del 80% de sílice, 15 % de arcilla y 5 % de agua. El término arcilla se aplica aun particular grupo de minerales, en el que el principal constituyente es el silicato alumínico hidratado, que varían desde el caolín a las arcillas refractarias duras y negras. La propiedad distintiva de la arcilla es su plasticidad, que es transmitida a la masa de arena en presencia de la humedad. En su actuación tiene una gran influencia, tanto la composición como la estructura. Las arcillas que se mezclan en las arenas de moldeo han de tener un diámetro de menos de 20  ! m. Estas arcillas contienen dos ingredientes: un fango fino sin poder cohesivo, y la verdadera arcilla, que es la que une los granos de arena. Un material de unión muy empleado en el moldeo de aleaciones base hierro es la bentonita: sustancia análoga a la arcilla, formada por la acción de los agentes atmosféricos sobre las cenizas volcánicas y compuesta de minerales de la familia de la montmorillonita Si 8O20 Al14(OH)4.nH 2O. Se conocen dos tipos que tienen los mismos tamaños de partículas y capacidad de cambio de bases, pero se diferencian en la clase de ion adsorbido sobre la superficie de las partículas de arcilla. Unas retienen gran proporción de iones sodio y dan reacción ligeramente básica, y otras retienen los iones hidrógeno y calcio y dan reacciones liigeramente acidas. El tipo primero de bentonita es el más usado. Existen otras arcillas aglomerantes: las halloysitas, que en vez de tener forma de escama, como ocurre en general con las arcillas que se emplean para esta finalidad, las partículas tienen la forma de bastoncitos; estas arcillas son muy refractarias y sus propiedades de plasticidad y de contracción son medianas. Las caolinitas tienen la misma composición que las anteriores, pero la ordenación atómica es diferente; sus propiedades aglomerantes varían mucho, son refractarias y la contracción es pequeña. La acción aglomerante de la arena parece ser debida a que el agua que se añade a la mezcla de arena y arcilla penetra en la masa, y forma una capa sobre las escamas de arcilla. En el momento en que esta capa pasa por cierto espesor, capa límite de fuerza máxima, la consistencia disminuye. Cuanto mayor es el espesor de esta capa límite de fuerza máxima sobre la arcilla, mayor es el poder aglomerante de la arcilla. Es interesante tener en cuenta el tipo de agua que se emplea en el moldeo, ya que las sales que contiene influyen en la propiedad de cambio de iones y en otras modificaciones que pueden producirse en las arcillas. Con la finalidad primordial de proporcionar un enlace artificial y aumentar así las propiedades cohesivas de la arena, se emplean muchos materiales, tales como la harina, dextrina, melazas, aceite de linaza, colas, polvo de carbón y vidrio soluble (silicato sódico). Así resulta que los tres constituyentes que se han de controlar en cualquier arena son: los granos de arena, el material de unión y el contenido de humedad. Para que las piezas no sean defectuosas es necesario que el aire existente en el molde y los gases engendrados por el calor del metal salgan fácilmente a través de las paredes del molde. El término  porosidad se refiere al número de espacio que existen entre los granos de arena, y principalmente está regido por el tamaño y forma de estos mismos granos, 27

Conformación metálica

proporciones de los materiales de unión, de la humedad presente y de la densidad de la arena una vez comprimida. La permeabilidad de una arena es manifiestamente diferente de la porosidad, si bien está íntimamente relacionada con ésta, y se mide por la facilidad con que escapan los gases a través de la arena. Las arenas pueden tener granos esféricos o angulares (figura 15) y distinto tamaño (figura 16) y distribución de tamaños. Las arenas que tienen grano de tamaño uniforme y esférico proporcionan un molde muy poroso, en tanto que las arenas con tamaño de grano variado tienden a producir una masa íntimamente empaquetada y menos porosa. Arenas de grano grueso de tamaño uniforme poseen mayor permeabilidad que las arenas finas de tamaño uniforme. Figura 15. Arenas de moldeo con granos de distinta forma: a, esféricos; b, angulares.

La proporción del material de unión presente influye en la permeabilidad. El exceso de aglutinante tiende a llenar poros, y, portante, disminuye la permeabilidad, aunque puede producir una arena fuerte con buenas cualidades cohesivas. Análogamente si bien al aumentar la humedad se incrementan la permeabilidad y la resistencia, un exceso de humedad disminuye la permeabilidad de la arena, produciendo la saturación de ésta, y a la vez que llena los poros tiende a desalojar al aglutinante. El efecto de secado del molde es aumentar la permeabilidad a medida que se hacen mayores los poros debido a la contracción de los granos de arena, particularmente en el caso de las arenas fuertemente unidas. Una proporción excesiva de sílice hace que la unión sea deficiente, en tanto que un exceso de arcilla disminuye el carácter refractario y la porosidad, y es mayor la contracción de la arena del molde. La mayoría de las arenas de moldeo contienen materia orgánica que entra en combustión a la temperatura del metal fundido. Si está en exceso, suelen desmoronarse las paredes del molde. Con la temperatura del metal líquido, la arena próxima al metal reacciona: el óxido de carácter ácido, que es la sílice, se combina con óxidos de 28

Moldeo

carácter básico de calcio, de magnesio, de sodio y de potasio, contenidos en el feldespato que es la arcilla. Las partes huecas de una pieza metálica moldeada se consiguen utilizando machos, que se colocan en lugares determinados dentro del molde. Las propiedades que han de tener los machos son: dureza, resistencia a la compresión –sea la arena seca o verde–, permeabilidad, homogeneidad de la superficie, carácter refractario, capacidad de unión, producción de gases y absorción de la humedad. Los machos han de mantener su forma hasta que el metal solidifica; el macho ideal es el que se desmorona y pasa a la masa de arena una vez que ha solidificado el metal. Si la consistencia del macho es mayor que la necesaria, será difícil extraer esta arena del interior de la pieza moldeada. La mezcla de arena para hacer estos machos consta de dos partes: arena rica en sílice con poca o nada de la arcilla aglomerante y un aglutinante. Para la elección de la arena para machos, la composición Figura 16. Características de tos tamices utilizados para el moldeo con arena, según normas de la American Foundrymen's Society.

química no es lo más importante; interesa más el examen mineralógico. Es, pues, deseable un elevado tanto por ciento de cuarzo para que el macho no se deshaga cuando sufra la acción del calor. La función del aglomerante empleado con la arena para machos es unir los granos de arena en la forma deseada y dar suficiente consistencia a los machos para evitar que se rompan, deterioren o desgasten cuando se fabrican, se instalan para el moldeo o durante la colada. Todavía no se ha descubierto el material ideal que transmita todas las propiedades deseadas para que el 29

Conformación metálica

macho tenga la permeabilidad requerida, produzca un mínimo de gas al ponerse en contacto con el metal fundido y se deshaga con facilidad después de solidificar éste. La acción cementante o unidora de los aglomerantes en las arenas de machos puede ser de carácter físico o químico. En ciertos casos se han empleado con éxito machos de arena verde congelados (el aglomerante entonces es el agua). Los aglomerantes comerciales deben su efecto a su comportamiento al calentar los machos en el horno después de moldeados. Para este fin se utilizan aceites, cereales, resinas, melazas y proteínas. La acción de los aglomerantes plásticos termo-estables, tal como la resina, depende del efecto del calor para fluidificar y dispersar el aglomerante en la masa de la arena. Los plásticos que se endurecen con el calor tienen gran consistencia a elevadas temperaturas y buena capacidad de unión, forman pocos gases y no absorben la humedad. Son ejemplos de este tipo de aglomerantes los plásticos a base de fenol y urea-formaldheido. Machos aglomerados con estos plásticos se pueden endurecer por calentamiento dieléctrico. REALIZACIÓN El moldeo en arena se realiza disponiendo el modelo sobre un tablero, se coloca en la caja inferior, se llena con arena, se prepara la caja superior, se unen ambas cajas y se cuela el metal líquido ( Figura 13). Además del tamaño, entre 0,4 y 1,6 mm, y la uniformidad de los granos de arena, tiene una gran importancia la forma del grano. Las arenas con granos angulares hacen mejores superficies en el hueco del molde por poderse apisonar más intensamente, con el resultado de haber menor costra y puntos incisivos. Al aumentar la presión de compactación de la arena en el molde disminuye la permeabilidad al propio tiempo que se incrementa la resistencia. La arena ha de tener suficiente consistencia para su manejo y presiones producidas por el metal fundido. Para ayudar a la hechura del molde y a la selección y regulación de la mezcla de arena, interesa estudiar las propiedades de ésta a las temperaturas atmosféricas. En la regulación y evitación de la formación de piezas defectuosas por acondicionamiento deficiente de la arena, aún son más importantes las propiedades de la arena a elevadas temperaturas. La tendencia actual en morderías de acero es conceder más importancia a las propiedades de las mezclas de arena a elevadas temperaturas, pero dado que se preparan y se regulan para lograr uniformidad a las temperaturas atmosféricas, se han de conocer las propiedades en estas últimas condiciones, aún pensando que en algunos casos no hay correlación entre unas y otras propiedades. El molde de arena se hace siguiendo cuatro métodos: 1) Arena seca. La arena se calienta en un horno antes de utilizarla. 2) Arena que está sólo seca en la superficie, lo que se consigue pasando una llama de gas por encima de la arena después de darle forma o de fabricar el molde. 3) Arena secada al aire una vez acabado el molde. 30

Moldeo

4) Arena verde, que es la utilizada tal como se encuentra en la naturaleza. Se emplean varias clases de arenas gruesas y finas de la variedad roja mezcladas con arena vieja. Los moldes secos son generalmente más consistentes que los moldes verdes, y, por lo tanto, se re gulan mejor. Actualmente se consiguen Figura 17. Etapas del moldeo manual mediante moldes en arena: 1, el semimodelo se coloca sobre un tablero; 2, se encierra el modelo mediante la semicaja inferior y se llena de arena; 3, se apisona y se allana la superficie superior; 4, se le da la vuelta a la semicaja y 5, se ensamblan las dos semicajas, preparadas de modo parecido. De este modo el metal líquido se  puede colar por el bebedero y llenar todo el molde, donde solidificará.

31

Conformación metálica

moldes de arena con superficie seca, tratándolos o sometiéndolos a la acción de los rayos infrarrojos. La arena, al ponerse en contacto con el metal, alcanza una elevada temperatura, y algunos de sus ingredientes se alteran o se destruyen, por lo que es necesario emplear cada vez arena con aglomerantes nuevos para asegurar la adecuada resistencia de la arena de moldeo. Las arenas para el moldeo de magnesio y sus aleaciones deben contener pequeñas cantidades de inhibidores, tales como el azufre, ácido bórico, íloruro amónico o etilenglicol, para evitar este tipo de reacción. Conviene proteger la superficie del molde y del macho de la acción del metal líquido, y para conseguir una superficie lisa, o para evitar adherencias de arena en la pieza moldeada, con frecuencia, el hoyo del molde se reviste con un material refractario; para este fin se emplean diferentes sustancias. Las piezas moldeadas ligeras se espolvorean con talco o esteatita, y las grandes, con plumbago o grafito natural. Los productos siliciosos, talco, esteatita, etc., son particularmente útiles en el caso del moldeo de los metales no-férreos. Poseen manifiesto tacto jabonoso semejante al grafito, debito a la magnesia. La fusión se realiza a temperaturas más baja que la del grafito y, por consiguiente, estos materiales no son adecuados para los moldes de piezas muy pesadas. El plumbago más pura generalmente es el de Ceylán, que puede contener carbono hasta un 95 %, si bien otras clases de esta procedencia son mucho menos puras y tiene sólo un 60% de carbono. El plumbago de buena calidad tiene gran proporción de grafito puro, con un mínimo de ceniza. El plumbago se consume lentamente, aún a elevadas temperaturas, y por esta razón, además de su valor para comunicar una superficie lisa a la pieza moldeada, proporciona un material refractario muy conveniente. Los moldes de arena seca se espolvorean o riegan con disoluciones refractarias que contienen harina de sílice, melaza y agua. El carbón bituminoso rico en carbono con poca ceniza, es una sustancia corriente para los polvos de revestimiento en el moldeo de los metales férreos: disminuye la adherencia de la arena en la piza moldeada, y con frecuencia deja una superficie lisa. Un polvo corriente de revestimiento consiste en una parte de carbón bituminoso y diez partes de arena. Las arenas para moldear los metales no férreos han de tener una resistencia a la compresión de 2 ÷ 4 gr/mm2. Las exigencias refractarias no son elevadas, por lo que se pueden emplear arenas bastante finas con el fin de obtener superficies lisas. El grado de finura para las piezas pequeñas moldeadas puede ser de 90 mallas por centímetro, y para las graneles, de 80. Puesto que la temperatura de colada es baja no se producen muchos gases y, por lo tanto, se pueden utilizar arenas de menos permeabilidad, con 5 unidades para las arenas finas y 50 para las gruesas. Las arenas para moldear para la fundición gris y maleable han de ser algo más gruesas –de 20 a 60 mallas–, y los índices de permeabilidad son de 60 a 200 para las arenas más gruesas, y la resistencia a la comprensión de 2 ÷ 8 gr·mm2. Estos materiales se cuelan entre 1350 y 1500°. Las arenas de moldeo para los aceros han de resistir temperaturas de colada de 1500 a 1650° y, por lo tanto, la arena ha de tener cualidades 32

Moldeo

refractarias, y cada vez que se emplean hay que añadir un aglomerante. Con el fin de evitar el agregar aglomerante en cada operación, se utilizan dos tipos de arena: arena de revestimiento y arena de socorro. La arena de revestimiento consta de 50 % de arena vieja y el otro 50 % de arena nueva, con más proporción de aglomerantes, tal como arena refractaria o bentonita. Las arenas gruesas se pueden apisonar más intensamente que las finas sin peligro de disminuir la permeabilidad, pues tienen poca movilidad y presentan grandes huecos entre los granos. Las arenas de revestimiento tienen la finura de 25 a 75 mallas, y la permeabilidad superior a 100. La resistencia a la comprensión es de unos 2,8 a 5,6 gr·mm 2. La superficie de molde se riega frecuentemente con una solución acuosa de harina de sílice y melaza, y después se seca. MAQUINARIA Y HERRAMIENTAS PARA EL MOLDEO CON ARENA Se construyen máquinas que apisonan la arena, separan el molde apisonado y la pieza moldeada y realizan las dos operaciones simultáneamente. Es posible apisonar la arena de tal manera que se produzca una porción dura bien apisonada, exactamente debajo del punto de aplicación de la presión de apisonado, si bien algo distante a ese punto la arena puede ser blanda y, por tanto, no apta para resistir la fluencia y la presión del metal, fundido. Existen tres métodos principales de apisonado de la arena en el interior de las cajas de moldeo por medios mecánicos: por presión ejercida directamente sobre la arena, es decir, prensado de la arena; por percusión, y por tirado de la arena. El prensado de la arena es el primer método que se ha empleado en gran extensión, y es la característica que principalmente domina en muchos tipos de máquinas. Se puede utilizar la energía neumática o hidráulica para producir una presión uniforme sobre la superficie comprimida. El sistema de moldeo mecánico por percusión ha revolucionado la práctica del mismo; en primer término, debido a la velocidad con que se puede realizar el apisonado, y también, porque se puede ejecutar el trabajo con mayor rendimiento que con el moldeo por prensado. La caja de moldeo, con el modelo y llena de arena, se coloca sobre la platina de la máquina; ésta se eleva y se la deja caer repetidamente sobre el yunque de la máquina. Por sucesivos choques, la arena fluye y se introduce uniformemente en los huecos de alrededor del modelo, la densidad que se alcanza en la caja depende del número de golpes y de la longitud del trayecto recorrido por la platina. La arena más próxima al modelo tiene la mayor densidad, y así, puesto que la superficie del molde tiene la mayor dureza, puede resistir la fluencia y la presión del metal, mientras que la arena posterior a la cara del molde, apisonada menos compactamente, proporciona un medio de fácil ventilación a través del cual se pueden expulsar los gases. Las máquinas de moldeo de los tipos conocidos como tiradoras de arena, difieren mucho de las máquinas anteriores, y están basadas en un principio completamente nuevo. La génesis de la idea está en la práctica de las operaciones ordinarias en el moldeo a mano de tomar un puñado de arena, comprimirla dentro de la mano y echarla impulsada sobre el modelo. La idea se aplica a las máquinas tiradoras de arena y se ha 33

Conformación metálica

convertido en un método característico de apisonado. La parte esencial de la máquina es el eje de apisonar, que consiste en un palo que gira a gran velocidad, en cuyo extremo se fija una polea, a la que se une un propulsor o unas hojas de paleta de forma especial, dispuestas con un obstáculo en uno de sus extremos. También la fabricación de machos se hace ahora mecánicamente por apisonado con aire y otros procedimientos empleados en el moldeo. Los machos se pueden hacer muy uniformemente introduciéndolos en la caja de moldeo con aire a gran velocidad, y la salida de la arena se realiza por agujeros adecuadamente colocados en la caja. La barra de traqueteo es un accesorio muy importante en las máquinas de moldeo, pues permite la separación del molde apisonado y del modelo. Si el apisonado mecánico se ha realizado adecuadamente, se facilita mucho la operación debido a la uniformidad de aquél y a no haber variación en la consistencia del molde con respecto al modelo. Particularmente, esto se aprecia más en los moldes obtenidos por percusión. Las máquinas de moldeo tienen accesorios vibratorios para aplicar al modelo vibraciones de alta frecuencia, pero baja amplitud, con el fin de facilitar la separación de aquél del molde. Algunas máquinas tiene un accesorio para extraer verticalmente el modelo del molde. En las funderías son de gran utilidad las cajas de moldeo. Se trata de marcos, generalmente de fundición, separados en dos partes denominadas caja superior y caja inferior. Ambas cajas se sujetan mediante clavijas. En la preparación de estas cajas para moldes se utiliza la  placa o tablero de fondo. Es una plancha de madera que se utiliza para colocar en ella el semimolde y las cajas superior e inferior y sirve para aguantar la arena antes del apisonado. Otros accesorios de la fundería son las cribas clasificadoras de arena, moletas –paletas de fundición endurecidas– para conseguir mezclas homogéneas, aireadores para mejorar el desplazamiento de la arena de moldeo, trozos de metal, clavos y otros materiales que se introducen en el molde para dar consistencia a la arena y que se han de eliminar de ésta, etc. Los materiales férreos se separan mediante artificios magnéticos. COLADA El objetivo de la colada es llenar el molde de modo que el metal más frío se sitúe en las partes alejadas del rebosadero, en tanto que el más caliente lo haga en las cavidades del mismo, con el fin de favorecer la solidificación hacia el rebosadero. Sin embargo, con frecuencia es necesario introducir el metal en las partes más bajas del molde para evitar la turbulencia en su cavidad con la consiguiente formación de escorias que podían quedar atrapadas en la pieza, si bien estos efectos perjudiciales se corrigen de varias maneras. La finalidad perseguida con este objetivo es triple: llenar completamente la cavidad del molde, evitar el deterioro del molde por el metal líquido y establecer gradientes de temperatura convenientes dentro del molde, de tal modo que las entradas no originen cavidades de contracción en las piezas. 34

Moldeo

Para conseguir este objetivo se ha de regular: 1) El método de llenado, es decir, la manera de transferir el metal líquido desde la cuchara al molde; 2) El tipo de conducto que regula la actuación de las entradas o bocas que dejan pasar el metal a la cavidad principal del molde; 3) La posición, dimensiones y número de las bocas que dan entrada a la cavidad principal del molde; 4) La velocidad de vertido; 5) La posición del molde durante el moldeo; y 6) La temperatura y fluidez del metal Figura 18. Formación de una darla: a) los granos de arena son todos del mismo tamaño y forma; b) a medida que se calientan se expansionan y se empujan ellos mismos hacia afuera; c) finalmente se revienta la hinchazón; d) el metal líquido líquido se introduce detrás de la superficie de arena.

El sistema de entrada al molde, además de permitir el llenado de éste con metal, actúa como un sistema de ventilación para la eliminación de los gases que se desprenden del molde, y como elevador o cabeza de alimentación para proporcionar el metal líquido a la cavidad a llenar con el fin de compensar las disminuciones de volumen debidas a la contracción del líquido y a la solidificación. DEFECTOS Uno de los defectos superficiales más corrientes de las piezas moldeadas de fundición es la existencia de dartas (Figura 18). La darta se forma al introducir una capa de arena dentro del metal sólido. Se forma porque cuando empieza el llenado del molde el calor irradiado por el metal ascendente choca con la cara opuesta del molde y, a medida que asciende el nivel del metal, la superficie del molde se expansiona e hincha debido al intenso calor. La superficie sólo puede hincharse hasta cierto límite. Finalmente la hinchazón revienta, formando una grieta en la cara del molde, con un hueco detrás de ella. Cuando el molde se ha llenado completamente, el metal entrará en el espacio hueco, o, lo que es lo mismo, la arena se introducirá en el líquido formando una darta. 35

Conformación metálica

Las dartas se pueden evitar (figura 19) usando una arena de moldeo que contenga granos de varios tamaños y máxima fluencia. Al calentarse se desplazan unos a otros sin causar hinchazón o grietas. CONTROL DE ARENAS Se han desarrollado y normalizado varios ensayos mediante los cuales pueden determinarse y mantenerse constantes las propiedades de las arenas de moldeo. Son necesarias la sencillez y rapidez de manera que puedan hacerse los ensayos en o cerca de la moldería y suministrar resultados en pocos minutos. Dichos ensayos miden el contenido de humedad, resistencia a la compresión en verde y en seco, permeabilidad y granulometría. Figura 19. Procedimiento para evitar las darías: a) Las darlas se evitan utilizando arena de moldeo que contenga granos de varios tamaños y máxima fluencia; b) Al calentarse se desplazan unos a otros sin causar hinchazón o grietas.

ENSAYO DE HUMEDAD El agua en la arena de la cara del molde se transformará en vapor, el cual, a su vez, puede alcanzar una temperatura de 1000 °C. A dicha temperatura, el volumen que anteriormente ocupaba el agua a temperatura ambiente, se expansionará unas 6.000 veces y, por tanto, si el vapor no encuentra una salida fácil o se ha formado en cantidades excesivas, quedará atrapado en la pieza o en casos extremos proyectará al exterior del molde arena y metal líquido. Se han desarrollado varios métodos para simplificar y acelerar este control. En uno de dichos métodos, se introduce una muestra de arena en un recipiente estanco que lleva acoplado en su base un manómetro, en la tapa del recipiente se coloca una cantidad determinada de carburo de calcio en polvo. La tapa se cierra herméticamente con el recipiente mediante una junta de presión y la arena y el carburo se mezclan entre sí mediante agitado de todo el conjunto. 36

Moldeo

El agua de la arena actúa sobre el carburo y se produce gas acetileno, creando de este modo una presión que queda registrada en el manómetro en forma de porcentaje de humedad. El volumen de acetileno generado es proporcional a la cantidad de agua que contenga la arena y la presión de gas es proporcional al volumen de gas formado. Este ensayo dura solamente unos tres minutos. La humedad determinada de este modo indica el agua libre o de humectación que contiene la arena. El agua presente en la substancia arcillosa se conoce como agua de combinación y no se mide. El agua de combinación se desarrolla cuando la arena en contacto con el metal líquido alcanza una temperatura de 500°C o superior. La arcilla, de esta forma deshidratada, se transforma en arcilla muerta o quemada y no puede ser restablecida mediante la readición de agua de humectación. Se va sumando al contenido de finos de la arena, debilitándola gradualmente y reduciendo sus propiedades de permeabilidad. Por dicha razón, la arena quemada adherida a las piezas habría que procurar que no se mezclase con la arena de moldeo, sino retirarla como escombros. La humedad no es solamente un factor de control de la resistencia en verde, sino que también afecta a la resistencia en seco. RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN EN VERDE El contenido de arcilla y humedad ejerce la principal influencia sobre la resistencia de la arena. El ensayo normalizado de compresión en verde de la American Foundrymen's Society se hace sobre pequeñas probetas cilíndricas de 50 mm de diámetro y 50 mm de altura. Dichas probetas se confeccionan partiendo de un peso determinado de arena que se introduce en una caja de machos cilíndrica, metálica, siendo apisonada la arena dejando caer tres veces consecutivas un peso de 6,35 kg desde una altura de 50 mm. Una carga de compresión es aplicada gradual y constantemente sobre la probeta hasta que se rompe. La presión máxima registrada en el aparato de resistencia y que está indicada en gramos por centímetro cuadrado, es la medida de la resistencia a la compresión en verde. Para mayor seguridad, siempre se toma el valor medio de tres ensayos consecutivos. CONTENIDO EN AGUA Y TIEMPO DE MEZCLADOS ÓPTIMOS Hay un tiempo límite para un mezclado eficiente de la arena, ya que, si se sobrepasa el tiempo de mezclado, puede ser perjudicial. La máxima consistencia del cuerpo en verde depende también de una proporción de humedad correcta. La humedad y tiempo de mezclado más ventajosos para determinada arena puede averiguarse mediante experimentación directa. Un tipo estándar de arena se mezcla durante 7 minutos con porcentajes de humedad variables, empezando con un contenido de humedad e incrementado dicho contenido de uno en uno hasta llegar al 10%. En cada adición de 1 % de agua se hacen ensayos de resistencia a la compresión en verde, y se van representando dichos valores en una gráfica. A medida que vaya aumentando el contenido de agua irán incrementándose los valores de resistencia en verde, los cuales, representados en la gráfica, formarán una curva. Dicha curva tendrá un punto máximo, 37

Conformación metálica

por ejemplo, a 6 % de humedad, y volverá a descender a mayores contenidos de humedad. Por consiguiente, a la vista de la gráfica, puede decirse que el contenido óptimo de humedad para dicha arena sería el 6%. Utilizando el 6% de humedad, la misma mezcla de arena puede suministrar valores de resistencia a la compresión en verde para trazar otra gráfica. En este caso, la variable a controlar será el tiempo de mezclado, que puede empezar en un minuto e ir incrementándolo de uno en uno hasta 10 minutos. Los valores de resistencia obtenidos en cada tiempo de mezclado, mostrarán también un punto máximo, el cual será representativo del tiempo óptimo de mezclado. Sobrepasar dicho tiempo, no sólo es una pérdida de tiempo sino que la arena se calentará y tendrá a formar grumos. RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN EN SECO Las probetas de ensayo se preparan del mismo modo y son de las mismas dimensiones que en el ensayo de compresión en verde. Se secan durante cierto tiempo a una temperatura normalizada y se dejan enfriar hasta temperatura ambiente antes de efectuar el ensayo. También en este caso se aplica gradual y constantemente una carga de compresión hasta rotura de la probeta, quedando registrada dicha carga en kg/cm2. PERMEABILIDAD La permeabilidad se define como el volumen de aire en centímetros cúbicos que, bajo una presión de un gramo por centímetro cuadrado pasará por minuto a través de una probeta estándar de un centímetro cuadrado de sección y un centímetro de altura. Para el ensayo de permeabilidad A.F.S. se utiliza la probeta estándar de 50 mm de diámetro y 50 mm de altura y el valor de la permeabilidad se calcula mediante la fórmula siguiente:

donde: P = Valor de la permeabilidad. V = Volumen de aire en cm 3 que pasa a través de la probeta. h = Altura de la probeta en centímetros. p = Presión de aire en gramos/cm2. a = Sección transversal de la probeta en cm2. t = Tiempo necesario en minutos para el paso del volumen de aire. El proceso usual es hacer pasar un litro de aire bajo una presión de 10 cm de columna de agua a través de una probeta. Bajo estas condiciones normalizadas, la fórmula puede simplificarse hasta la expresión:

donde ts, es el tiempo necesario en segundos para el paso de 1 litro (1.000 cm 3 ) de aire. De este modo, es posible leer directamente 38

Moldeo

permeabilidad en una tabla donde estén indicados sus valores en función del tiempo en segundos. GRANULOMETRÍA Ya se ha hecho mención de varios factores referentes a los granos de arena. Según aquéllos, es evidente que el tamaño de los granos tiene gran importancia, pues afectan a la permeabilidad de la arena y al acabado superficial de las piezas producidas en moldes y machos preparados con ella. La superficies rugosas con resultado de granos grandes de tamaño uniforme y que presentan vacíos muy grandes. También, dichas arenas tienen una permeabilidad más alta particularmente cuando los granos son redondeados. Esto representa una dificultad en la preparación de arena en que las propiedades que se desean son antagonónicas unas con otras. Debe establecerse un equilibrio entre todas las características necesarias teniendo en cuenta los objetivos que se pretende debería cumplir la arena durante su empleo. Como se ha visto, en las arenas de tamaño de grano mezclado los granos más pequeños pueden ocupar los vacíos existentes entre los granos más grandes y, por consiguiente, obturar las salidas de aire y disminuir la permeabilidad. La mayoría de arenas están compuestas por granos de varios tamaños pero, con tal que la dispersión de los granos esté controlada, esto es ventajoso para resistir la penetración del metal. En este aspecto, es aconsejable que una arena tenga aproximadamente el 70 % de sus granos distribuidos en tres tamices adyacentes. Algunas especificaciones aconsejan la arena en cinco tamices. MOLDEO CON ESCAYOLA Y CON CEMENTO El moldeo en escayola y en cemento sigue las mismas reglas que el moldeo en arena, y la única diferencia radica en el material que se emplea para hacer el molde. En vez de emplear arena se hace uso de la escayola o un cemento. Las principales caractererísticas del moldeo con escayola o con cemento son: control dimensional muy  preciso, uniformidad en el acabado superficial y posibilidad de aguantar elevadas temperaturas. Este material, una vez seco y cocido tiene la suficiente permeabilidad para permitir el escape de los gases y aire del molde. La escayola utilizada como material de moldeo es una mezcla de yeso calcinado, un reforzador fibroso, tal como el silicato magnésico y pequeñas cantidades de impurezas –sales y ácido clorhídrico– para acelerar el fraguado de la mezcla El fraguado se consigue añadiendo más agua de la necesaria y colocando la mezcla alrededor del modelo. Éste se extrae del conjunto en cuanto la mezcla adquiere el estado pastoso debido a la deshidratación. Se utiliza el modelo de tipo placa y se hacen separadamente la parte superior y la inferior de la caja, y éstas se cuecen. También separadamente para evaporar el agua. A través de la masa se deja un laberinto de pequeños 39

Conformación metálica

espacios que permiten la salida de los gases. Si es necesario el empleo de machos, se hacen por separados y se acoplan antes de introducir el metal fundido. El empleo de la escayola y el cemento se limita a los metales que funden por debajo de 1150°, con excepción del magnesio; pero por modificación del procedimiento se ha conseguido moldear el acero inoxidable a 1650 °. Los metales que más corrientemente se moldean por este método son los latones amarillos (latón de marina y el Muntz), bronces de aluminio ricos en hierro, bronces de manganeso y de silicio y en ocasiones el aluminio.  Aplicaciones típicas son los artículos de plomería, material para ferrocarriles y automóviles, engranajes de todas clases, palancas, mangos terminales, etc. La tolerancia que puede conseguirse con este procedimiento es análoga a la que se alcanza en el moldeo de matriz, y mejor que los moldes permanentes. Con este método se puede producir piezas artísticas de gran complejidad y, sino es fundamental un máximo rigor, en el mismo molde se pueden colar dos o tres piezas. MOLDEO DE PRECISIÓN O A LA CERA PERDIDA El moldeo de estatuas y de piezas de joyería y de odontología es difícil por los problemas que presenta la disposición de los machos. Para evitar el empleo de éstos se utilizan técnicas especiales de moldeo y materiales que funden a la temperatura de cocido de arenas de moldeo o los moldes de escayola. Para construir una estatua u otra pieza metálica, lo primero que hay que hacer es un molde de escayola (figura 20) del modelo original. Este molde, entero o dividido en dos partes, se cierra y se llena con cera o con una resina termoplástica o con parafina, y después de unos segundos se invierte para dejar salir la cera que no ha solidificado. La cera sólida reproduce la forma original, con un espesor que depende del tiempo dado a la solidificación. Si el artista o diseñador lo desea, puede retocar la forma obtenida, y una vez lista se le añaden bebederos y respiradores en forma de barras de cera. El molde para colar el metal fundido se hace así: el modelo en cera se recubre por pulverización o inmersión en una suspensión de sílice coloidal. Después se espolvorea con arena silícea fina. A continuación se vuelve a recubrir con arena molida y aglomerada con una disolución alcohólica de etilo hidrolizada. Luego se deja evaporar el disolvente. Después se cuece el molde en posición invertida para dejar salir la cera. El revestimiento también puede consistir en una masa líquida compuesta de cuatro partes de escayola, una parte de arcilla y otra de fibras de asbesto. Se obtienen piezas moldeadas utilizando como modelo los objetos naturales, tales como las hojas y hasta los animales, en lugar de la forma obtenida con la cera. Entonces hay que carbonizar bien el modelo y a veces eliminar con aire o con mercurio los residuos que puedan quedar. El revestimiento para elevadas temperaturas se obtiene en forma de barrillo mezclando un relleno refractario de grano adecuado con una suspensión coloidal de sílice en alcohol, a la que se añade un reactivo que 40

Moldeo

produzca una reacción de gelatización. En la porción líquida del barrillo se hidrolizan los esteres silíceos, como el silicio tetraetilo, que lo hace de las siguientes maneras:

La sílice se deposita alrededor de los granos del refractario en forma de gel, y se fortalece por deshidratación. Para la debida aplicación de silicio de etilo como agente de unión es preciso regular la hidrólisis por medio de un Figura 20. Etapas del moldeo de precisión o a la cera  perdida: 1, modelo de cera; 2, ensamblaje de los modelos de cera en un bebedero común, también de cera; 3, el conjunto se sumerge en una mezcla destinada a  pro porc ionar un recubrimiento preliminar de la cera o bien se pulveriza sobre éste; 4, se coloca el conjunto dentro de un molde y se rellena de arena o del material del molde; una vez consolidado el molde, se calienta para eliminar la cera; 5, el molde está preparado  para recibir el metal líquido; 6, conjunto desmoldeado; 7,  pieza moldeada.

41

Conformación metálica

control riguroso de la temperatura, composición del barrillo refractario y del pH. La reacción convierte el barrillo en un gel tenaz de tipo gomoso, y mientras se encuentra en esta condición se prepara el molde. Las piezas aisladas se hacen quemando, desapareciendo, el alcohol, en cuya operación ni se contraen ni se alteran, y, en cambio, se produce una superficie de molde cubierta por un sistema de finas grietas que ofrecen algunas ventajas. La ventaja fundamental de este procedimiento es que permite una  precisión de dimensiones imposible de conseguir por otros métodos. Si se tiene cuidado de controlar las numerosas variables determinantes se consiguen piezas con tolerancias dimensionales muy estrechas y un acabado superficial excelente. Se puede lograr una pieza con dimensiones ajustadas ±0,002 mm por milímetro, aunque ello requiere extremo cuidado en todo el proceso de moldeo. Una variación del método de moldeo a la cera perdida es el conocido como método Mercast, en el que se utilizan modelos de mercurio congelado. Puesto que el mercurio moja el molde de acero recubierto a través de las pequeñas aberturas, no necesita inyectarse. El molde con el mercurio se enfría a unos –40 °C, y el mercurio sólido se extrae del molde-matriz. Los modelos de mercurio se pueden soldar simplemente con una ligera presión. El modelo de mercurio se introduce en una mezcla refractaria formada por partículas muy finas enfriadas a su vez hasta –70 °C, con la que se dan varias capas hasta conseguir un espesor de 3 a 8 mm. Cuando el material del molde se encuentra bien seco, dentro de una caja fría a –40 °C, se hace que adquiera la temperatura ordinaria para que el mercurio fluya y salga. La recuperación de éste es prácticamente de 100 pct. El molde se cuece después en un horno. El metal fundido se introduce en estos moldes, bien por acción de la gravedad o por la fuerza centrífuga. El molde transpira lo suficiente para permitir el escape de aire y los gases cuando entra el metal, y así forman venteaduras. Cuando el conjunto está suficientemente frío, el molde cerámico se puede romper con facilidad para dejar libre la pieza moldeada. La característica de este método depende, pues, de dos factores interesantes: la cohesividad del mercurio en estado sólido, lo que hace que se unan las partes sueltas utilizando sólo una pequeña presión y así pues es exacto para reproducir piezas complejas; y que el mercurio, a diferencia de la cera, no presenta concavidades debido a la contracción. Puesto que en el empleo de mercurio se necesitan temperaturas inferiores a –40 °C, en las mezclas refractarias cuando se hace el molde no se emplea el agua, y así no existe el problema de eliminación de ésta. La cantidad de material refractario empleado en este método es menor que la cera perdida, pues además de que la capa cerámica sólo tiene unos milímetros de espesor, no hay que llenar de revestimiento la caja como en el último método. Este método ofrece unas posibilidades que no tienen los otros métodos, y además se obtiene superficies lisas excelentes, con tolerancias de un 50% menores que las conseguidas con el método de la cera perdida. 42

Moldeo

En cambio, el coste, y sobre todo la mano de obra, es mayor en este método que en los otros. MOLDEO EN CASCARA, PROCEDIMIENTO CRONING O «SHELL MOLDING» Este procedimiento es un excelente medio para lograr buenas tolerancias y piezas de moldeo de fino acabado. En los Estados Unidos, es el conocido actualmente como moldeo por casquete, moldeo en cáscara y también conocido simplemente como procedimiento «C». Se separa completamente de la técnica normal de moldeo. Se utilizan para el modelo placas metálicas calientes montadas con las superficies hacia arriba en una caja de moldeo, en la que se introduce un material para el molde, esqueFigura 21. Moldeo en cáscara o "shell molding": 1, el semimodelo, susceptible de calentamiento, se coloca en la  parte superior de una caja que contiene arena y resina termoendurecible; 2, se invierte la caja y, por lo tanto, el semimodelo: la resina que está en contacto con el semimodelo caliente  polimeriza y la arena que está a su alcance queda inmovilizada; 3, al volver la caja a su posición normal, queda un revestimiento de arena adherido al semimodelo; 4, se arranca el revestimiento del semimodelo; 5, el revestimiento se coloca dentro de una semicaja como las utilizadas en el moldeo de arena.

matizado en la figura 21. La composición de la mezcla de arena y resina, es probablemente el factor más imporante en el éxito de este tipo de moldeo. En este procedimiento se emplea arena de sílice fina lavada con un 6 ÷ 8% de resina fenólica conteniendo un 10% de hexametilentetramina (que acelera la polimerización) como aglutinante. El calor del modelo ablanda y funde la resina y el modelo adquiere un recubrimiento análogo a una masa arenosa de unos 6 mm. de espesor. Se vierte al exterior el exceso de arena y resina y por calefacción en una estufa a 280 ÷ 300 °C durante 2 a 5 minutos, el revestimiento se convierte en una cáscara de gran consistencia. 43

Conformación metálica

El artificio general, bien sencillo, que se emplea para recubrir el modelo, se conoce como «caja de descarga»; es una caja con un extremo abierto, que contiene la mezcla de arena y resina, en la que hay unas pinzas para fijar el extremo abierto de la placa-modelo caliente, consiguiendo de este modo el cierre de la caja. Ésta ha de ser lo suficientemente profunda para que, al invertirla, la mezcla arena-resina disponga, cuando menos, para su caída, de un espacio libre de unos 30 cm, y asimismo para retener la cantidad suficiente de arena para cubrir las partes más altas del modelo con un espesor de unos 10 cm. La placa-modelo caliente se fija en la debida posición con las pinzas, y se hace girar la caja. Finalmente se quita el casquete del modelo de la misma manera como se separa de la matriz una pieza moldeada a presión. El moldeo «C» ocupa una posición intermedia entre el moldeo de precisión –de la cera perdida o por revestimiento– y el corriente de arena. Con cualquier metal moldeable se pueden conseguir buenas tolerancias y muy pequeñas secciones. Dado que el molde no contiene humedad, no se produce el enfriamiento del metal fluido por el cambio de agua a vapor, lo que hace que la superficie sea más fina y más lisa, permitiendo una reproducción más fiel de los detalles. Las ventajas de esta técnica son: 1) sirve para moldear piezas de los metales férreos y no férreos; 2) ofrece una buena superficie de moldeo; 3) se pueden hacer piezas muy delgadas; 4) se maneja menos arena, etc.; 5) se puede emplear la mano de obra corriente; 6) no se requieren largas permanencias para la estabilización; 7) la misma mezcla se emplea páralos moldes y machos, y 8) los moldes se pueden almacenar hasta que se necesitan. MOLDEO EN COQUILLAS Las coquillas son moldes de metal (Figura 22). Con esta clase de molde se puede moldear un gran número de piezas, pues aun cuando el molde puede deteriorarse por contacto con el metal fundido, no es necesario construir uno nuevo para cada pieza que se moldea, como ocurre en el moldeo en arena y otros procedimientos. El método más sencillo consiste en disponer de un molde metálico en dos partes que se ajustan por medio de una grapa o pinza; el metal fundido se vierte en la parte superior y el molde se llena por la acción de la gravedad, pudiéndo ser la presión algo superior a la atmosférica, debido al metal que se encuentra en el bebedero. Una vez frío el metal introducido, se abre el molde y se extrae la pieza moldeada, si bien en ocasiones se requiere emplear cierto artificio para poder hacer bien la operación. La duración del molde depende de las características del metal fundido, diseño y construcción del molde y diseño de la pieza a moldear. Generalmente, se pueden hacer unas 15.000 piezas de fundición gris y unas 10.000 de aluminio en un molde de fundición sólo con pocas reparaciones. Con frecuencia se utilizan machos de metal que se pueden introducir o quitar según las necesidades. La superficie del molde se cubre con una delgada capa de refractario 44

Moldeo

para disminuir el desgaste y a la vez evitar que se adhiera a la pieza moldeada. Se emplea una suspensión acuosa de cemento refractario, aceite para machos y grafito. Se pueden moldear varias piezas, si al molde se le da un tratamiento que consiste en pasar por su superficie una llama de acetileno para formar una fina capa de hollín. Una modificación del método consiste en introducir el metal fundido, y al cabo de poco tiempo, cuando ha solidificado una pequeña capa de metal, se vierte fuera el resto de éste, consiguiéndose así una forma hueca. Este procedimiento es particularmente apto para hacer piezas de plomo y de aleaciones de cinc. Los objetos de ornamentación fabricados por este método se pueden terminar después en plata, oro o bronce. Figura 22. Coquilla o molde metálico.

Cuando se emplean machos de arena con los moldes metálicos, éstos se denominan semipermanentes. Es necesario este tipo de moldes cuando por la irregularidad de la forma no puede separarse el macho del metal. En general, la utilización de los machos de arena es algo más económica, pero, naturalmente, la producción es algo más lenta. Existe la desventaja de que la microestructura del metal próximo a los machos es la típica que se encuentra en el moldeo en arena, y las ventajas en la tolerancia de moldeo, densidad y aspecto que se consigue en los moldes permanentes se alcanzan sólo en las secciones en contacto con el molde. MOLDEO A PRESIÓN O POR INYECCIÓN  Además de los procedimientos basados en introducir el metal por acción de gravedad, los moldes permanentes se pueden modificar de modo que sobre el metal se ejerza una cierta presión para lograr que la pieza moldeada tenga menos defectos. El molde metálico o la matriz constan, al menos de dos partes o bloques de acero especial, cada uno con una cavidad, que están unidas durante el moldeo y que se separan en 45

Conformación metálica

cuanto se está en condiciones de extraer la pieza moldeada. Ésta queda en la parte fija, y esta mitad tiene machos alrededor de los cuales se contrae el metal al solidificar. Agujas movidas mecánicamente empujan la pieza moldeada fuera de estos machos y del molde. Comercialmente, se emplean muchos tipos de máquinas para abrir y cerrar los moldes, introducir el metal fundido, separar la pieza moldeada, etc., y se dividen en dos clases: a) aquella en la que el artificio de moldeo está sumergido constantemente en el metal fundido, y b) en la que el artificio sólo se sumerge en el metal cuando recoge la cantidad necesaria de éste para la pieza moldeada. Figura 23. Esquema de una maquina de cámara caliente  para el moldeo po r presión.

El moldeo a presión comprende el forzamiento del metal fundido dentro de una matriz de acero, mediante una presión que puede oscilar de 1,2 a 1,8 kg/mm 2. El grado de presión varía con el método de inyección y la aleación empleada. En la figura 23 se expone una máquina de precisión de moldeo a presión, formada por un horno que comunica con las cavidades de los moldes. La presión del molde se puede aplicar por medio de aire a presión o por la introducción de un macho metálico. Cuando se aplica la inyección de aire, la presión máxima es de unos 0,35 a 0,42 kg/mm 2, y en las máquinas de este tipo se fabrican más de 110 piezas de aluminio por hora, si bien no son completamente sanas. En el procedimiento del émbolo, la operación es rápida y la presión, que se obtiene con aire o hidráulicamente, puede ser tan elevada como se desee: en general, se emplean presiones de 10,5 a 14 kg/mm 2. Se hacen 46

Moldeo

corrientemente hasta 250 piezas por hora, pero en ocasiones se llegan a las 400. Esta clase de máquina se utiliza sólo para las aleaciones de cinc, estaño y plomo (Figura 23). Figura 24. Esquema de una máquina de cámara fría para el moldeo por presión o inyección.

En el procedimiento de la cámara fría (figura 24), el metal fundido se cuela en el cilindro que no está sumergido en el metal caliente y se obliga a pasar el molde por medio de un émbolo que funciona bajo la presión neumática o hidráulica. Las presiones más corrientes son de 3 a 7 kg/mm2, si bien en ocasiones se emplea de 11,5 a 14,5 kg/mm 2. En este procedimiento el metal fundido está s ólo poco tiempo en contacto con el cilindro y el pistón, por lo que se moldean piezas de los metales de los puntos de fusión más elevados que con los otros métodos, y de esta 47

Conformación metálica

manera se evita la contaminación del hierro. Dado que en este método se pueden aplicar mayores presiones que en los otros, las piezas moldeadas son de mejor calidad. La fuerza compresiva sobre el metal, mientras pasa por el estado pastoso, le hace penetrar hasta las zonas delgadas y ángulos de la pieza. Todas las piezas obtenidas con el moldeo en la matriz tienen tolerancias ajustadas, contorno definido, superficie lisa y la producción es grande con un mínimo coste de mano de obra. Presentan una capa superficial dura con un interior más blando debido a la rapidez de la solidificación de la superficie, particularmente cuando ésta se ha enfriado forzadamente. Debido al diseño y tamaño, su producción está limitada a las piezas pequeñas. Por el moldeo con matriz se hacen, entre otras, las piezas de ornamentación, armazón de cuentakilómetros, piezas de automóvil, carburadores, piezas de cámara, etc. Las matrices se fabrican generalmente de aceros especiales a los que se les da un tratamiento térmico antes de «hacer el hoyo». Los metales que principalmente se moldean a presión son el cinc, el aluminio, el magnesio, el latón, etc. MOLDEO POR CENTRIFUGACIÓN El moldeo por centrifugación y la colada continua, conocida también como moldeo continuo, consiguen eliminar muchos de los defectos propios del moldeo convencional: eliminar segregaciones y porosidad. La técnica de moldeo por centrifugación se puede emplear para la producción de formas sencillas, tales como discos y tubos, o para la producción de las formas más complicadas moldeadas en arena, mientras que el moldeo continuo se limita a la producción de lingotes y llantenes, y especialmente en el campo de los metales no férreos encuentran gran aplicación con esta finalidad. El procedimiento de moldeo por centrifugación está basado en la aplicación de una fuerza centrífuga para la alimentación del metal durante la solidificación y en ciertos casos para favorecer la expulsión de los gases disueltos y otras impurezas indeseables, tal como la escoria. Las ventajas del procedimiento resaltan al compararlo con los métodos estáticos de moldeo. Por ejemplo, cuando se moldea un sencillo cilindro hueco de un molde estático de arena, el metal o la aleación fundida se enfrían con relativa lentitud, los gases disueltos y las impurezas tienden a ser expulsados hacia el interior de la cara del molde y se agrupan en el centro de las paredes del mismo. En contraste, en una pieza tubular semejante moldeada por los métodos de centrifugación, la solidificación se realiza de manera siguiente. Cada capa sucesiva de metal aplicada al molde ejerce un gradiente de presión a través de un espesor radial, siendo la presión máxima la de las caras exteriores, con tendencia a disminuir hacia el interior. Este gradiente ayuda a la eliminación de los gases y limita el efecto de la contracción líquida sobre la superficie más interna del cilindro. Existen, en realidad, tres procedimientos de molde centrífugo: 1, colada centrífuga; 2, colada semicentrífuga y 3, moldeo centrífugo. 48

Moldeo

 A la colada centrífuga se le ha llamado también "forjado líquido", ya que el metal fundido solidifica con la presión producida por la fuerza centrífuga al girar a gran velocidad el molde del metal de 600 a 3.000 rpm, según el diámetro del molde. Se limita a la producción de formas cilíndricas sencillas en moldes de metal o arena que giran alrededor del eje del cilindro; no se emplean machos y las dimensiones internas se determinan por la cantidad de metal vertido. Verticalmente sólo se pueden producir piezas cortas, ya que la superficie interior es parabólica, pero el molde horizontal se adapta bien a la producción de tubos, ejes, cilindros de motor, etc. La colada semicentrífuga se utiliza corrientemente para las piezas de forma circular, tal como una rueda, que se puede hacer girar corrientemente en posición vertical, alrededor de su propio eje. Sin embargo, la forma de la pieza se establece completamente por el molde y los machos. En el moldeo centrífugo se emplean moldes de arena, escayola, cemento, carbón o acero y se obtienen piezas de muy diversas aleaciones. No se necesitan machos, y la parte interior de la pieza moldeada exige el mecanizado para eliminar la escoria y la porción impurificada del metal moldeado. No es necesaria simetría y el eje de giro puede ser cualquiera. Este método tiene las desventajas de la limitación de tamaño y formas adaptables a él, y el coste de la instalación y mantenimiento de las máquinas centrífugas. Las piezas obtenidas por centrifugado pueden aumentar en un 20%. Su resistencia a la tracción con comparación con las del mismo material moldeadas por procedimientos de solidificación reposada, y también presentan un mayor alargamiento. Si el eje de giro es horizontal, el diámetro interior de la pieza es un cilindro recto, y si es vertical, teóricamente debería obtenerse un paraboloide debido a la acción de la fuerza gravitatoria. Se pueden obtener secciones ligeramente cóncavas o convexas regulando la velocidad, pero a grandes velocidades se obtiene un cilindro perfecto, con el fin de obtener formas especiales se han realizado ensayos en los que se inclina el eje de giro, y también se hace que el molde gire simultáneamente sobre dos ejes. Los metales que tienen tendencia a mojar la superficie de los moldes se moldean mejor en grafito, y estos moldes son económicos para poderse fabricar con facilidad por medio de máquinas. La máquina de centrifugación se puede disponer, para trabajar, con el eje en posición horizontal o vertical. COLADA CONTINUA La colada continua consiste en verter regularmente el metal líquido de la cucharada de colada en un distribuidor que, a su vez, alimenta un conjunto de falsos moldes (Figura 25). Estos falsos moldes son cavidades cilíndricas o prismáticas, convenientemente refrigeradas, con un falso fondo. Es decir, cuando el metal líquido ha llenado este "molde" y la parte inferior ha solidificado, el fondo se desplaza, permitiendo que entre más líquido en la parte del molde enfriada con agua. Es evidente que entre la velocidad de contracción y el descenso de la masa-llantón o palanquilla– que se forma continuamente ha de existir una coordinación muy rigurosa. 49

Conformación metálica

La palanquilla de metal sólido sigue bajando a través de pulverizadores de agua. Cerca del suelo se curva hasta alcanzar la posición horizontal. Se cortan secciones que se envían al homo de precalentamiento previo a la laminación. Una práctica reciente consiste en enviar directamente la palanquilla desde la máquina de colada hasta el tren de laminación. El procedimiento de colada continua permite un enfriamiento más rápido del acero fundido, produciéndose así una fina y uniforme microestructura con poca segregación, pocas inclusiones no metálicas y casi sin grandes imperfecciones superficiales. Figura 25. Esquema de la colada continua.

Casi todo el aluminio y las aleaciones ligeras y parte de la producción del cobre y latón se moldean por métodos continuos o semicontinuos. El metal moldeado de modo continuo es de calidad metalúrgica superior, presenta buena superficie y su obtención requiere poco trabajo. Las dificultades que ha habido que vencer para establecer un procedimiento práctico de colada continua vertical para los aceros, son la construcción de un molde al que no se adhiera el metal y que no se obstaculice la continuidad de la operación. Asimismo se hubo de resolver que el metal fuera de calidad adecuada y que se introdujera en la máquina a una temperatura constante. MOLDEO EN CHAPAS En el moldeo en chapas la cuchara vierte el metal líquido en la artesa, que, a su vez, conduce el metal líquido por gravedad hacia dos rodillos, refrigerados interiormente, que giran en sentido contrario. La correcta solidificación de la chapa metálica se logra manteniendo un nivel adecuado de líquido en la artesa. La chapa recién solidificada se lleva, de modo continuo, a la devanadora. De este modo se fabrican carretes de fleje y de chapa con variación del espesor inferior al 5 %. Los metales moldeados en chapa suelen ser acero al carbono, acero inoxidable, cobre, etc. 50

Galvanoplastia o electroconformación

La electroconformación o galvanoplastia es la producción o reproducción de objetos mediante depósitos electrolíticos (Figura 26). Sus más importantes aplicaciones son el electrocopiado y los métodos similares para la fabricación de placas de impresión, la producción de matrices fonográficas, de hojas, de tubos y de artículos de formas diversas (moldes para vidrio, cerámica, jabón, cera, bombones, etc.) mediante depósitos electrolíticos. Una característica esencial de la galvanoplastia es que implica la separación del depósito de la forma que les sirvió de base, y sobre la que se modeló. Figura 26. Esquema del  procedimiento galvanotécnico  para la conformación metálica.

Para poder producir o reproducir una pieza mediante depósitos electrolíticos, es necesario tener un molde-forma sobre el cual se deposite, preferentemente, un negativo del producto deseado, ya que solamente en estas condiciones es posible aspirar a la reproducción exacta. El uso de moldes-forma metálicos ofrece ventajas sobre los no metálicos, ya que la superficie es conductora de la electricidad y no requiere tratamiento previo excepto aquél que permita separar el depósito formado sobre él. Los moldes-forma metálicos pueden fabricarse mediante moldeo, mediante hechurado, mediante mecanizado o bien, mediante depósito electrolítico. Una vez conformado el molde-forma de metal o de plástico se deposita electrolíticamente sobre el cobre, hierro u otro metal. Para recubrir electrolíticamente el plástico es necesario que tenga una capa conductora, bien de plata o de grafito. Terminado el recubrimiento electrolítico, se 51

Conformación metálica

funde el metal del molde-forma o se quita el plástico deformándolo. El detalle conseguido por el depósito electrolítico es excelente. Las formas obtenidas se pueden emplear como molde o como matriz si se las da la debida consistencia con otro metal. La producción de matrices fonográficas implica una conformación de la cera o de cualquier otro material de plástico. La superficie de este objeto conformado se hace conductora, por ejemplo, evaporando una película de oro o de grafito o depositando una capa de plata químicamente, después de lo cual se deposita cobre para producir una concha negativa conocida como matriz muestra. Sobre esta placa se deposita un cierto número de grabaciones maestras positivas o madres. Estas positivas, sirven como forma sobre las cuales las matrices de trabajo o estampadoras son depositadas. Este último puede tener una superficie inicial de níquel y se trata electroquímicamente con cromo para aumentar su resistencia a la abrasión. Mediante tales procesos, pueden reproducirse varias placas sin pérdida de exactitud.

52

Nuevas técnicas de moldeo

Unos metales se adaptan más al moldeo por un cierto procedimiento que por otro, tanto por la economía en la mano de obra como en la calidad y en el número de piezas que se obtienen. Los principales avances experimentados últimamente en la tecnología del moldeo derivan de la aplicación del vacío y de las atmósferas controladas en dicho procedimiento de conformación metálica. De este modo se han variado favorablemente las propiedades metálicas de las piezas moldeadas. MOLDEO DIRECCIONAL Una pieza convencional moldeada se fabrica colando el metal fundido dentro de un molde cerámico (que se ha precalentado a una temperatura próxima a la mitad de su punto de fusión) y dejándolo solidificar. El metal líquido empieza a cristalizar en las zonas de contacto con el molde; el resultado final es una fina textura policristalina con pequeños granos individuales orientados al azar. Sin embargo, en la solidificación direccional, la mayor parte del molde se precalienta a temperaturas próximas al punto de fusión del metal, la sección inferior del molde se rodea con una placa de cobre enfriada con agua: es la superficie fría. En realidad el molde es una zona caliente (figura 27a) cubierta con una campana aislante térmica. El metal líquido se cuela en el molde y empieza a solidificar en la superficie fría. En este plano refrigerante que es la superficie fría normalmente se nuclean y crecen muchos cristales. Luego, el molde se hace descender lentamente desde la campana aislante, sacándolo de la zona caliente. Así, los cristales formados en el fondo del molde crecen en largas columnas. El resultado final es una pieza moldeada constituida por varios cristales, largos y columnares, con parecida orientación y unidos entre sí a través de planos verticales. Todos los límites de grano están orientados aproximadamente en la dirección con que los alabes serán tensados por la fuerza centrífuga. La solidificación direccional, muy útil para moldear alabes de turbinas de superaleaciones de níquel, se aplica, también, a otras aleaciones. En particular, se usa para fabricar un nuevo tipo de material conocido como superalealeación eutéctica, que se forma añadiendo a la aleación líquida de níquel y aluminio cierta cantidad de molibdeno y solidificando direccionalmente la mezcla. Una vez solidificada, el molibdeno aparece en forma de filamentos incrustados en una matriz de la superaleación gamma y gamma prima de níquel-aluminio y alineados paralelamente a la dirección de solidificación. Los filamentos de molibdeno actúan reforzando considerablemente el material, de modo parecido a como las fibras de grafito 53

Conformación metálica

robustecen la matriz epoxi de ciertos materiales calificados de "híbridos". La diferencia más notable entre "híbridos" eutécticos y convencionales es que las fibras de los eutécticos tienen un diámetro inferior al micrómetro y aparecen separadas por unos pocos micrómetros. Estas características serían imposibles de conseguir con los procedimientos acostumbrados, basados en introducir las fibras en un molde y luego agregar el material de la matriz.

Figura 27. Moldeo direccional.

MONOCRISTALES Un procedimiento similar al descrito produce piezas sin límites de grano (Figura 27b). Una pieza que sea monocristalina se fabrica colando el metal líquido en un molde que tiene un cuello de botella de forma espiral entre la superficie fría y la parte superior del molde. Al sacar el molde de la campana aislante, empiezan a formarse cristales columnares, pero el cuello de botella es tan estrecho que sólo permite que uno de estos cristales lo cruce. Este es el cristal que crece a través del cuello de la botella. En la parte superior del cuello, donde el molde se ensancha, el cristal dilata su diámetro, por lo que sólo crece un cristal en el molde; así, la pieza final (que se forma en la parte superior del molde), será monocristalina. El moldeo también tiene la posibilidad de variar las propiedades metálicas modificando convenientemente la dirección de enfriamiento, como indica la figura 27. Controlando adecuadamente el enfriamiento se consigue monocristales de propiedades especiales. Los monocristales se obtienen, también, mediante la fusión por zonas 54

Nuevas técnicas de moldeo

Figura 28. Fundamentos de la fusión por zonas para la obtención de monocristales.

(figura 28), mediante prolongado recocido del metal deformado en frío o mediante la técnica esquematizada en la figura 29, la cual consiste en mantener un metal fundido en un recipiente de grafito recubierto con una Figura 29. Obtención de monocristales.

55

Conformación metálica

lámina de mica agujereada por su parte central. En dicho agujero se introduce un pequeño monocristal, el cual actúa de cebador y, una vez en contacto con el metal fundido, se va separando lentamente del horno, arrastrando metal fundido, enfriando y solidificando un monocristal. Los monocristales pueden ser metales o aleaciones. Se fabrican en forma de monocristales imanes permanentes tipo alnico y superaleaciones base níquel. Figura 30. Esquemas para la obtención de metales amorfos: a) láminas y b) fibra.

56

Nuevas técnicas de moldeo

METALES AMORFOS Enfriando rápidamente en líquido metálico se logra impedir que adquiera la microestructura cristalina propia del metal en estado sólido. La técnica sólo permite conseguir estas grandes velocidades de enfriamiento en delgadísimas láminas metálicas (Figura 30). La laminación por rotación de Figura 31. Esquema para la obtención de metales amoríos  por laminación.

una aleación metálica líquida constituye la técnica más utilizada en la actualidad para lograr la elevada velocidad de enfriamiento que se necesita para producir un metal amorío. El metal líquido se vierte sobre la superficie metálica del rotor. De este modo la película líquida se enfría muy rápidamente debido a que dicha lámina es muy delgada. El rotor, que suele ser de cobre, constituye un sumidero térmico de gran volumen ya 57

Conformación metálica

que los metales son buenos conductores del calor. Con esta técnica se han alcanzado velocidades de enfriamiento del orden de mil grados Celsius por milisegundo, es decir, a razón de un millón de grados Celsius por segundo. Así se logran cintas continuas de vidrios metálicos de un espesor de 15 a 60 pm y unos 30 cm de ancho. En la figura 31 se ha esquematizado el procedimiento de laminación, de una aleación metálica fundida, mediante el concurso de dos cilindros que giran a la misma velocidad pero en sentido contrario, para la obtención de vidrios metálicos o metales amorfos.

58

Hechurado

El hechurado consiste en conformar una pieza metálica a partir de un metal en estado sólido o  preforma. Este procedimiento de dar forma a los metales se puede realizar en caliente o en frío.  Aunque muchos metales se pueden trabajar en caliente y en frío, sin embargo es necesario considerar cada metal y aleación separadamente, pues algunos de ellos sólo se pueden trabajar en caliente, ya que en frío se rompen, y otros, en cambio, sólo se pueden trabajar en frío, porque en caliente se agrietan. La experimentación ha de ser la guía para determinar el mejor método de trabajo de una aleación: el sencillo martilleo del metal puede dar una idea bastante clara de ello, así como con una sencilla lima se aprecian amplias diferencias en relación con el mecanizado. FUNDAMENTOS Un metal consta de innumerables granos pequeños o cristales, enlazados o libremente orientados. En cada grano cristalino, los átomos se disponen en una red tridimensional muy regular. La cristalinidad es el resultado del enlace atómico peculiar de los metales, que favorece las estructuras simétricas y muy compactas. Las estructuras cristalinas muy compactas resisten fuertemente a las fuerzas que tienden a cambiar su volumen, pero fácilmente cizallan y cambian su forma cuando las capas atómicas deslizan una respecto de la otra. Las capas se desliza más fácilmente a lo largo de direcciones compactas en los planos cristalográficos de máximo empaquetamiento. Las estructuras cristalográficas simples tienen un alto grado de simetría y, por lo tanto, planos y direcciones de máximo empaquetamiento, lo que facilita la deformación plástica. El deslizamiento se facilita aún más con las imperfecciones cristalinas llamadas dislocaciones (Figura 32). Son pequeñas irregularidades en la ordenación atómica de los granos y facilitan el deslizamiento parcial de los átomos, en vez de hacerlo por hileras enteras. El movimiento de dislocaciones es el único mecanismo para el deslizamiento. Estas dislocaciones se introducen fácilmente en la estructura cristalina de muchos metales; se mueven libremente y se multiplican rápidamente durante la deformación produciendo así la alta ductilidad de estos metales. La alineación de los distintos granos metálicos según ciertas direcciones preferentes ocurre durante las enormes reducciones (del orden del 1000 por uno) que supone la laminación de bandas para carrocerías de automóviles a partir de lingotes de acero. Las propiedades de los cristales varían con la dirección debido a la regularidad direccional con que sus átomos están dispuestos; la mayoría de las propiedades de la lámina tienen una direccionalidad similar. Para mejorar la resistencia a la reducción de espe59

Conformación metálica

sor, y por lo tanto a la mejor propiedad para la embutición, se alinean la mayor cantidad posible de cristales de modo que la dirección que ofrezca mayor resistencia sea paralela a la dirección del espesor del material. Figura 32. Representación esquemática de la estructura cristalina con planos atómicos y dislocación o plano extra.

En los cristales con simetría cúbica, que es corriente en los metales, esta dirección pasa a lo largo de la diagonal del cubo (Figura 33). En los metales como el acero, que tienen una red cristalina cúbica centrada en el cuerpo (un átomo en cada vértice del cubo y otro en su centro), el alineamiento preferente se puede conseguir con gran facilidad. En metales como el cobre, el latón y el aluminio, que tienen una estructura cúbica centrada en la cara (un átomo en cada vértice y otro en el centro de cada cara del cubo), la alineación es difícil de conseguir debido a la multiplicidad de direcciones en que los cristales pueden deslizarse durante la deformación. En los metales con otras estructuras cristalinas, la dirección de deslizamiento está altamente limitada y, por lo tanto, existe la oportunidad de obtener direcciones, aunque no se alcance necesariamente una alineación favorable. Por ejemplo, el titanio y el cinc tienen una estructura cristalina hexagonal compacta, pero en el titanio la alineación es favorable para la embutición profunda mientras que en el cinc no. TÉCNICA EN CALIENTE El propósito principal del trabajo en caliente es dar forma al metal, sin conseguir gran control dimensional y afinar el tamaño del grano. El trabajo en caliente tiende a hacer el metal más homogéneo, debido a la mayor posibilidad de difusión de los átomos a elevada temperatura y a la presión de los cristales, lo que hace que se suelden las cavidades (sopladuras y porosidad interna). Así se consolida el metal y aumenta su densidad. De hecho, el trabajo en caliente ofrece diversos aspectos cristalográficos, pues altera la microestructura cristalina y se deshacen bastantes porciones 60

Hechurado

Figura 33. Plano de máximo empaquetamiento en una estructura cristalina de un metal que cristaliza en el sistema cúbico centrado en las caras: H E B C D G.

segregados y dendríticas y, al disminuir el tamaño del grano, aumenta la resistencia a la tracción y la ductilidad (Figura 34). Es bien sabido que la resistencia a la fatiga de un acero, con un 0,35 % de carbono, por forjado Figura 34. Influencia del hechurado en caliente en las  propiedades de los me tales cristalinos.

61

Conformación metálica

aumenta un 20 % en comparación con el acero moldeado. La acción de la presión, asimismo, influye en el alargamiento y en la reducción de área. El trabajo en caliente se aplica cuando el metal es plástico a elevadas temperaturas, lo cual generalmente ocurre, y no es muy grande la energía necesaria para las operaciones de hechurado. Para la producción en masa de las piezas de la mayoría de los metales y aleaciones se prefieren las operaciones en caliente, sobre todo desde que se ha aumentado la pureza de los metales comerciales, porque con frecuencia son más económicas y permiten manejar piezas mayores. Muchas aleaciones que contienen fases intermedias, tales como las de cobre con grandes proporciones de cinc, estaño o aluminio, sólo se pueden hechurar a altas temperaturas, por ser aquéllas bastante frágiles a la temperatura ambiente. En ciertas aleaciones, como, por ejemplo, los latones con 60% de cobre –40% de cinc, es Figura 35. Representación esquemática de la libra en un metal hechurado en caliente.

antieconómico laminarlos en frío, pero se trabajan muy bien por encima de los 500 °C. Algunos otros metales no férreos, tales como el níquel y las aleaciones cromo-níquel, también se trabajan en caliente. Para el trabajo de los aceros, los métodos más empleados son la forja y el laminado. Las chapas y bandas se pueden laminar en caliente directamente al espesor deseado, o bien se dejan en un grosor intermedio, y después se laminan en frío el grosor de empleo. Mediante el hechurado en caliente las inclusiones no metálicas se alargan y, al estar menos localizadas, disminuyen su efecto perjudicial. Resulta una microestructura de fibra, la cual indica la dirección en la que el metal fluyó durante el hechurado (Figura 35). Cuando las piezas son muy delgadas se llega al límite de trabajo en caliente, y se necesita una mayor disminución, se completa con trabajo en 62

Hechurado

frío. Pero antes de esto es necesario utilizar algún método de eliminación de óxidos superficiales. Las propiedades mecánicas de las piezas hechuradas en caliente varían según se consideren en la dirección perpendicular o en la dirección paralela a la fibra. Los mejores resultados se consiguen cuando los esfuerzos de flexión y cizallantes son perpendiculares a la dirección de la fibra, mientras que la estricción, la elongación y la resiliencia disminuyen en esta dirección. Por este motivo la fibra se debe orientar favorablemente respecto a los esfuerzos durante el servicio.  Además  Además del tamaño tamaño de la pieza, pieza, el hechurado hechurado en caliente caliente tiene una serie de inconvenientes. Por un lado, la formación de óxidos y descarburaciones superficiales modifican las propiedades; por otro lado, la contracción del metal al enfriarse después de la operación de hechurado impide lograr precisión dimensional. FORJA La forja es la deformación de los metales a temperatura superior a su recristalización: temperatura de eliminación de defectos cristalinos, tales como dislocaciones. Es el método más antiguo de trabajo de los metales. La forja se puede clasificar en cuatro clases principales: 1) matriz abierta o llana (figura (figura 36); 36); 2) de recalcar; 3) de prensa, y 4) forja en matrices cerradas (figura 37) que no permiten la fluencia plástica. Los forjados son de varias formas y tamaños, oscilando desde los bloques rectangulares de metal a formas muy irregulares. En la forja de matriz llana, las pletinas de metal caliente se martillean para darles forma. En la forma de martinete se emplean dos matrices, una en el martinete y la otra en el yunque. La matriz tiene el tamaño y la forma de la pieza que se desea, teniendo en cuenta que el material se contrae al enfriarse. El golpeo intermitente y regulado del martinete hace que el material fluya en las dos matrices hermanas, y así adquiere una estructura densa, tenaz y fibrosa. Si hay metal en exceso, éste escurre entre las matrices y forma rebabas que hay que desbastar. Con matrices abiertas no se forman estas rebabas. En la forja se consigue mayor precisión con las matrices cerradas que con las abiertas, y para la producción en cantidad son más económicas, aunque las matrices son más caras, por la ventaja de su rapidez y facilidad. El recalcado consiste en aplicar gran presión a las matrices de modo que golpeen repetida y axialmente sobre la barra de material caliente. La producción por este método es rápida y hasta se puede hacer con facilidad agujeros en las piezas. Se pueden terminar las piezas con tolerancias limitadas, y en ocasiones no hace falta un mecanizado final. El recalcado permite obtener piezas de forma compleja, que por otros procedimientos se habrían de hacer en dos partes y luego soldarlas. El recalcado se usa particularmente para hacer varillas, por ejemplo de tungsteno. Asimismo, se emplea para hacer menor el extremo de las varillas, tubos y otras formas que tienen que pasarse por una matriz para ser estirados o trefilados. 63

Conformación metálica

En la forja de prensa se dan varios golpes. La prensa consiste principalmente en un cilindrio hidráulico soportado por uno o dos pares de columnas de acero que están unidas a una sencilla base moldeada de gran peso y resistencia. Él pistón del cilindro desciende y arrastra el troquel estacionario que descansa sobre la base moldeada a la que se han unido las columnas. Figura 36. Forja hidráulica en matriz abierta.

El forjado de prensa se aplica para piezas pesadas, tales como planchas de blindaje, cañones de gran calibre, vasijas para refinerías de petróleo, etc., debido a su mayor eficacia, ya que se trabaja el metal de modo más completo, porque la presión se ejerce de modo más lento y constante. Las prensas varían desde 3.000 a 100.000 toneladas de capacidad. Se pueden emplear matrices complejas. 64

Hechurado

Figura 37. Forja en matriz cerrada.

La forja en matriz cerrada se puede realizar con prensas mecánicas en las que la presión se aplica al pistón por medio de un eje unido aun cigüeñal, y también con el martillo para producir forjados de martillo. En estas matrices cualquier exceso de metal sale por compresión entre las matrices y forma una delgada rebaba que se ha de eliminar. Muchos metales y aleaciones se pueden forjar, si bien la facilidad de la 65

Conformación metálica

operación varía de unos a otros y con el espesor del metal. En general, la relativa forjabilidad del material la determinan los elementos existentes de aleación; es decir, cuantos más elementos de aleación hay presentes más difícil es la forja y más rápidamente se desgastan las matrices. Cada uno de los metales que se forjan tienen propiedades características de resistencia a la tracción, fatiga, durabilidad, etc., que las hacen apropiadas para aplicaciones específicas. Se clasifican en los grupos siguientes: 1) aceros al carbono; 2) aceros aleados; 3) aceros resistentes a la corrosión y a elevadas temperaturas e inoxidables; 4) hierros y fundiciones; 5) cobre, latones y bronces; 6) níquel y aleaciones níquel-cobre; 7) aleaciones ligeras, y 8) otras aleaciones modernas.  Algunas piezas y productos forjados para la construcción de aparatos industriales pueden requerir un tratamiento térmico, mecanizado y operaciones de acabado. Debido a la gran presión que sufre el material a la temperatura de forja dentro de las matrices, se mejora principalmente la ductilidad. Entre otras ventajas de la forja se indican: 1) una resistencia a la tracción igual o mayor para un menor peso, en comparación con las piezas moldeadas o hechas por soldadura, etc., 2) un rendimiento mejor que el que se alcanza con las piezas moldeadas; 3) un mínimo de material a eliminar por mecanizado. La pieza fabricada por forja puede tener una buena superficie y dimensiones bastante exactas. Las matrices son caras y el gasto inicial es superior al de los moldes. Por otra parte, si la pieza tiene un contorno muy complejo, no se puede forjar. FORJA DE PREFORMAS SINTERIZADAS  Actualmente se está desarrollando la técnica de la forja de preformas sinterizadas, la cual consiste en forjar piezas obtenidas mediante la pulvimetalurgia. Las características mecánicas de las piezas sinterizadas son inferiores a las obtenidas por deformación, pero mediante la forja de preformas sinterizadas se mejoran considerablemente, debido a la eliminación de la porosidad y aumento considerable de densidad. Se incrementa la resistencia, tenacidad, resiliencia, elongación, etc. Por este procedimiento se están fabricando bielas y cigüeñales que compiten ventajosamente con los obtenidos por los métodos convencionales de forja o moldeo. Así se reducen las etapas y presión de forja, ya que la preforma sinterizada (porosa) ofrece menos resistencia a la presión que la maciza, lo que se traduce en una mayor duración del utillaje. Por otra parte, partiendo de preformas sinterizadas se logra una microestructura muy homogénea, sin segregaciones. LAMINACIÓN El procedimiento de dar forma a un metal por laminación consiste esencialmente en hacer pasar el material entre dos rodillos o cilindros (figura 38) que giran a la misma velocidad periférica y en direcciones opuestas, y espaciados de modo que la distancia entre ellos sea algo menor que la altura de la sección del metal a laminar. El metal se somete a 66

Hechurado

una carga compresiva entre dos rodillos de la máquina y la única fuerza que arrastra el metal a laminar es la fricción entre el cilindro y el metal. En estas condiciones se produce un ligerísimo ensanchamiento, mientras que el alargamiento puede ser grande en la dirección de movimiento del material. El espesor del metal que alimenta los rodillos es e1 y se obtiene una chapa de espesor e2. Toda esta deformación es debida al esfuerzo longitudinal de tracción que, combinado con las fuerzas normales, produce tensiones cizallantes que deforman plásticamente el metal. El laminado no es sólo el método más económico de hechurado de metales en largas longitudes de sección transversal uniforme, sino que se puede emplear también para hacer una gran variedad de productos. Sus aplicaciones comprenden desde las aleaciones de plomo a los aceros inoxidables, y desde los lingotes de 0,60 cm de espesor a las delgadas tiras, como de papel. Figura 38. Laminación de una chapa de espesor e 1, para conseguir una chapa de espesor e2 . Las flechas indican el sentido del desplazamiento material.

La conveniencia de emplear chapas para la fabricación de muchos productos hace que el laminado se emplee extensamente. En algunos países se realiza por procedimientos continuos y el material laminado sale de la maquinaria con el grosor deseado a velocidades de 500 y más metros por minuto. Principalmente estos progresos y la buena calidad del producto se han logrado a base de la regulación de la temperatura de calentamiento y del procedimiento de trabajo. La unión de una lámina con otra se consigue por la acción de una carga de unos 1.000 kilogramos para hacer el procedimiento continuo, y el enfriamiento se regula para mejorar la estructura del material. 67

Conformación metálica

Como se ha indicado, después del laminado en caliente, que puede realizarse sólo hasta un cierto espesor por enfriarse el metal demasiado deprisa, se prosigue el laminado en frío. En esta operación cada vez se emplean más las máquinas de tipo continuo, y se dan una o más pasadas para conseguir la reducción y las propiedades deseadas. Los trenes de laminación ideados para la industria del acero también se han adaptado para la industria del aluminio, magnesio y otros metales no férreos. Los factores que influyen en la operación del laminado son: 1) la temperatura del metal; 2) composición química del metal o aleación; 3) velocidad de los rodillos laminadores; 4) reducción por paso, y 5) diámetro del rodillo. La reducción de la pieza en cada paso ha de ser la máxima que permita la maquinaria y el metal, con el propósito de trabajar éste lo más uniformemente posible y conseguir la máxima economía. En el primer paso en el laminado del lingote, para transformarlo en planchas, sólo se consigue una pequeña disminución, pues lo principal es que las caras del lingote sean paralelas. Después se hace pasar varias veces hasta obtener el espesor deseado. Los trenes de laminación en caliente tienen cuatro rodillos, dos accionados por la fuerza motriz y dos que "flotan" o son movidos por fricción, y que hacen de cojinetes al contacto con el material de trabajo detrás de los rodillos. EXTRUSIÓN La extrusión es un procedimiento en que el metal caliente, con el fin de que tenga suficiente plasticidad, se impulsa, mediante la aplicación del esfuerzo necesario, a través de un orificio existente en la pared de una matriz y así se le da la forma deseada (Figura 39). La operación se puede comparar con la salida por compresión de la pasta dentífrica de un tubo. Este procedimiento, que se aplica particularmente a los metales no férreos de bajo punto de fusión, es relativamente económico y menos drástico que el laminado o forjado, pues al material sólo se le aplica una fuerza compresiva. El recubrimiento de los cables con plomo es una operación de extrusado. Los tubos de plomo también se hacen por este procedimiento. Las cargas requeridas para impulsar las aleaciones de plomo varían desde unos 65 a 140 kg.mm2, y para las aleaciones de cobre, aluminio o cinc no pueden exceder de los 235 kg.mm2. Si el extrusado se hace en frío, con el fin de conseguir secciones muy delgadas, hay que realizarlo en prensas mecánicas rápidas y de gran presión. Teóricamente se pueden extrusar todos los metales, pero no todos se pueden así hechurar económicamente. El latón, aluminio y magnesio son los metales más corrientemente extrusados. El níquel y las aleaciones ricas 68

Hechurado

en níquel se extrusan en forma de tubos y algunas otras formas sencillas, y actualmente se dispone de medios para la extrusión de aceros. Son muchas las ventajas de las formas extrusadas; desde luego, ni hay que eliminar más material ni se emplea más del necesario. La diferencia principal entre las operaciones de estirado corriente y un procedimiento tal como el extrusado en frío, es que en el primero la carga se ha de transmitir al metal sobre una sección transversal, produciéndose corrientemente una disminución de la misma; por consiguiente, en general, además de la ductilidad, para las operaciones de estirado es conveniente una gran capacidad de acritud, lo que no siempre es verdad en el reestirado. En las operaciones de extrusado las condiciones en la zona de estirado son completamente diferentes, si bien el procedimiento tiene una semejanza con el estirado en forma de copa. Figura 39. Representación esquemática de la extrusión.

La fluencia de metal en el estirado con presión depende de la microestructura del material, característica del metal o aleación, temperatura de la operación y velocidad de deformación. El extrusado del acero en frío exige la aplicación de un lubricante apropiado para impedir el galleo o agarrotamiento de la pieza en la matriz. Recubrimientos superficiales no-metálicos producidos químicamente, especialmente fosfatos, facilitan el hechurado en frío del acero. El recubrimiento de fosfato actúa como agente de desplazamiento y como retenedor de lubricante. Este desarrollo produjo una revolución en la industria del trabajo en frío. Parece que en la eficacia del sistema fosfato de cinc-lubricante en el trabajo en frío tienen una gran importancia los dos factores siguientes: 1) la fluencia de la capa de fosfato con metal, al trabajar éste; y 2) la reacción entre el lubricante y el recubrimiento con formación de un jabón de cinc. La lubricación, antes del estirado de los tubos y del extrusado, normalmente se realiza por inmersión del acero fosfatado en el lubricante, 69

Conformación metálica

asegurando así que la reacción se verifique. Para obtener las condiciones más satisfactorias se ha de cuidar la composición del lubricante, concentración, pH, temperatura y tiempo de inmersión. TUBO EXTRUSADO POR PRENSADO En el prensado por extrusión de tubos se coloca un bloque redondo calentado a la temperatura de trabajo en la cámara de la prensa de extrusión y se aprieta contra las paredes de la matriz circular y la opuesta al punzón. El bloque es perforado a continuación por un punzón móvil situado en el vástago de la prensa que presiona el bloque formándose el tubo al fluir el material entre la matriz y el punzón. Éste puede desplazarse conjuntamente con el vástago o permanecer inmóvil. Después del prensado se realiza la separación del tubo de la cabeza resultante en el prensado y la expulsión de éste y de la cabeza, dejando nuevamente libre la cámara y la matriz. Hay prensas de extrusión para los tubos con disposición horizontal, como la esquematizada en la figura 40, pero también con disposición vertical. Figura 40. Fabricación de tubos extrusados por   prensado.

EXTRUSIÓN POR IMPACTO Se pueden fabricar muy rápidamente cápsulas de paredes delgadas mediante la extrusión por impacto. Se coloca un disco relativamente grueso de un metal blando dentro de una matriz y se golpea con un punzón, que fuerza el metal a extrusarse a través del espacio anular que queda entre matriz y punzón. El primer efecto del contacto del punzón con el disco es aplastarlo y hacer que llene la matriz; después, el metal tiene que salir por el único espacio libre formando una vaina que envuelve al punzón. El espesor de paredes del producto está regulado por el espacio anular que queda entre matriz y punzón, y el del fondo, por la carrera de la prensa. La extrusión por impacto también se aplica en frío para fabricar tubos de aluminio y de plomo destinados a envasar diversas pastas. 70

Hechurado

TÉCNICA EN FRÍO El trabajo en frío es necesario siempre que se requieren dimensiones precisas, aumento de la resistencia mecánica y buen acabado, pues multitud de objetos se fabrican directamente a partir de las chapas de metal con superficies lisas. El acero sólo se puede trabajar en frío en grado limitado, sin comunicarle propiedades poco convenientes. Una vez realizado el trabajo en frío se pueden modificar las propiedades haciendo uso de la recristalización. También por el envejecimiento inducido de las aleaciones que son soluciones sólidas se han podido mejorar en ellas, después de trabajadas en frío, propiedades tales como las elásticas, alargamiento y límite de resistencia a cargas repetidas o alternadas. La deformación en frío requiere mayores esfuerzos que la deformación en caliente, pero no se producen descarburaciones y se evita el riesgo de la oxidación superficial. El control dimensional es mucho más preciso que en el hechurado en caliente, por estos motivos se recurre al hechurado en frío para acabar las piezas metálicas. LAMINACIÓN La laminación en frío se aplica a perfiles de pequeña sección, donde la fricción y la resistencia a la deformación son más notables. El acabado de la superficie de los cilindros de laminación se traduce en un bruñido de la superficie del material, que resulta lisa y brillante. Figura 41. Laminación en frío. Tren cuatro.

71

Conformación metálica

Las fuerzas de fricción pueden modificarse por lubricación y variando el diámetro de los cilindros. Disminuyendo la fricción entre los cilindros y el material se puede hacer menor la fuerza que tiende a separar aquéllos. Este mismo efecto se consigue tirando hacia atrás del material, con lo que si la fuerza necesaria para que pase el material es mayor se disminuye la fuerza de separación. La laminación en frío puede realizarse en trenes dúo, análogos a los utilizados en caliente, pero son más corrientes los trenes cuatro ( figura 41) y, sobre todo, trenes formados por un grupo o agregados (cluster) de cilindros. Figura 42. Figura 42. Tren Sendzimir de laminación en frío.

Uno de los trenes de laminación en frío más modernos es el Sendzimir, esquematizado en la figura 42. Los cilindros que sirven para laminar son de carburos cementados y diseñados con diámetros muy pequeños. Los restantes cilindros actúan de soporte de los de trabajo. Este tren de laminación se utiliza para fabricar chapas y láminas muy delgadas. En otros trenes de laminación se fabrican varillas, barras, raíles, perfiles de construcción, etc. CIZALLADURA La conformación por cizalladura de un cuerpo sólido es una operación en la que el estado plástico se produce esencialmente por esfuerzo de cizallamiento. Consiste en separar en dos partes el metal mediante dos cuchillas, como se ve en la figura 43. El metal cizallado se corta en parte por los bordes agudos de las cuchillas y, en parte, por la fuerte deformación 72

Hechurado

plástica que acaba en rotura. Las cuchillas deben estar separadas una distancia determinada a fin de dejar un huelgo. Si este huelgo no es el adecuado, por exceso o por defecto, se producen deformaciones en ambas partes seccionadas, las cuales resultan con bordes rugosos. En el retorcido (conformación por cizalladura con movimiento giratorio de la herramienta), los planos transversales de la pieza próximos a la zona de conformación, se dislocan recíprocamente por un desplazamiento giratorio. EMBUTICIÓN La embutición profunda de las carrocerías de automóviles y vainas de cartuchos se hace, como indica la figura 44, con un punzón y una matriz. La preforma metálica, que es una parte de una chapa hueco por medio del alargamiento y del recalado. La preforma se sujeta entre el aro de embutir y el pisón de sujeción de la chapa. El punzón ejerce presión sobre la preforma plana y la convierte en un cuerpo hueco. Figura 43. Cizalladura en corte  paral elo y en cort e  pendular.

En la embutición, lo mismo que en otros medios de hechurado de los metales no férreos, tiene una gran importancia dos factores: el tamaño de grano y el recocido. Ni son aconsejables para esta operación los materiales de grano grandes ni los muy blandos, puesto que en cualquiera de ellos se puede presentar la deformación local que es poco conveniente. Las estructuras de grano fino actúan como una barrera para el alargamiento plástico y tienden a hacer mínima la deformación localizada. La lubricación evita el agarrotamiento del material contra la matriz y disminuye la fuerza necesaria para la embutición. La embutición falla cuando la fuerza que aplica el punzón es mayor que la que puede soportar la copa en las inmediaciones de su fondo. Cuando esto ocurre la copa se desgarra en la región donde el adelgazamiento 73

Conformación metálica

producido es mayor. La fuerza aplicada no debe ser mayor que la que resulta de multiplicar la verdadera resistencia del metal por la sección anular en esa sección más delgadas. Las copas más profundas que es posible obtener en una operación sin exceder este límite tienen una altura 65 % mayor que su diámetro, aproximadamente. Figura 44. Embutición.

El ensayo más utilizado para estudiar la embutición consiste en grabar una plantilla de circunferencias de 5 mm de diámetro en una lámina metálica. Después que la lámina se ha estampado, los círculos revelan la figura de deformación e indican hasta qué punto una lámina puede deformarse sin roturas. Este ensayo ayuda a determinar si la matriz, la lubricación y el metal son aptos para la embutición.  A pesar de la deformación máxima que se puede deducir del ensayo de la plantilla de circunferencias una lámina metálica se puede hechurar con mayores deformaciones por embuticiones sucesivas, entre las que se intercalan recocidos intermedios. Continuando la sucesión de embutición, recocido y nueva embutición, se puede seguir la operación casi indefinidamente. Se emplean varias técnicas de embutición, pero las más importantes se han esquematizado en la figura 50. También es muy útil el ensayo Erichsen (Figura 45). La ductilidad de una chapa se determina midiendo la profundidad hasta que el punzón puede deformar la chapa-probeta sin romperla. La deformación en frío produce texturas en las chapas y origina propiedades que varían con la dirección. Las chapas con una textura marcada se deforman con más facilidad en unas direcciones que en otras, y así se originan en la embutición copas con asas u orejas. 74

Hechurado

Figura 45. Ensayo de embutición.

EMBUTICIÓN CON ESTIRADO La embutición con estirado se realiza sujetando los bordes del recorte de chapa (preforma) con mordazas, estirándose hasta que empieza a deformarse ligeramente y envolviendo luego con ella una matriz de la forma adecuada (Figura 46). La mejor medida de embutición con estirado viene dada por la mayor altura que adquiere la cúpula antes de la rotura durante el ensayo de embutición. La medida combina la importancia de la uniformidad de Figura 46. Embutición con estirado.

75

Conformación metálica

deformación y la deformación de rotura; revela la superioridad del latón (elevado endurecimiento por deformación) y el acero (moderadamente alto endurecimiento por deformación y endurecimiento por velocidad de deformación) y el pobre comportamiento de algunas aleaciones de aluminio (moderado endurecimiento por deformación pero ablandamiento por velocidad de deformación). Las propiedades del material no constituyen el único factor importante en el hechurado; otro factor importante es la lubricación. DOBLADO En el doblado, en contraste con la mayor parte de las operaciones de embutición con estirado, hay un elevado gradiente de esfuerzos a lo largo de espesor del material. En el exterior del doblado, el esfuerzo es de tracción; en el interior es de compresión o de un nivel reducido de tracción. La gravedad de las deformaciones por tracción depende del radio de curvatura, ángulo y longitud. El fallo aparece en el lado de la tracción por reducción de espesor y rotura. El endurecimiento por deformación, el endurecimiento por velocidad de deformación y la deformación de rotura son factores importantes en la calidad de un metal para doblar. Figura 47. Esquema del  doblado en ángulo y en superficie esférica.

La diferencia más significativa entre el doblado y la embutición con estirado corresponden el papel que desempeñan las impurezas microscópicas o inclusiones no metálicas. Durante la laminación en caliente se alargan en "cordones". En el doblado, los cordones producen roturas prematuras si están orientados perpendicularmente a la dirección del doblado. Si el metal se dobla con los cordones orientados paralelamente a la dirección del doblado, se mantiene a ductilidad normal (Figura 47). Esta diferencia entre la doblabilidad longitudinal y la doblabilidad transversal no siempre se revela en las pruebas de tracción. En los aceros de alta resistencia y baja aleación la forma de las inclusiones se controla añadiendo durante el moldeo pequeñas cantidades de tierras raras como el cerio. El cerio se combina con inclusiones de sulfuro de manganeso que están 76

Hechurado

normalmente presentes y las hace fuertes a las temperaturas de laminación del acero. Por lo tanto, las inclusiones no se deforman con la laminación del lingote, sino que permanecen esféricas. En la figura 47, se ha representado el doblado de chapa empleando punzones de sección angular y de acción esférica, utilizando un cojín elástico apoyado sobre la mesa de la prensa. REPUJADO El repujado –hechurado al torno–, como indica la figura 48, se limita a productos que tienen sección transversal circular con ángulos rectos en relación con el eje de rotación, excepto para algún pequeño trabajo que pueda hacerse de forma ovoidal. Consiste en forzar la chapa metálica contra un modelo de madera mediante un tope y luego en comprimirla contra él mediante una herramienta lubricada. Si la chapa se endurece por trabajo en frío es necesario recocerla. El repujado exige mucha mano de obra, pero en cambio las herramientas son sencillas y económicas. Para grandes series se prefiere la embutición. Figura 48. Repujado o hechurado al tomo.

FABRICACIÓN DE TUBOS Los tubos ordinarios de agua se hacen soldando chapas de acero a las que se ha dado una forma cilíndrica. Los tubos de los metales no férreos, tales como los de cobre, generalmente se produce por extrusión. Sin embargo, la fabricación de los tubos de gran calidad sin costura exigen procedimientos, cuya selección depende de las dimensiones y de si el metal se puede trabajar en caliente y en frío, o solamente en frío. Al acero 77

Conformación metálica

que se puede trabajar con más facilidad en caliente que en frío, en general, se le da, primero, la forma cilíndrica, horadando una barra sólida, y después, se reduce a tamaños más pequeños en trenes de estirado en caliente, y se termina por un estirado en frío. En cambio, los metales tales como el cobre, que se pueden trabajar tanto en caliente como en frío, se horadan en caliente y después se estiran en frío al tamaño deseado. El tren de horadar de Mannesmann, consiste en dos cilindros de forma especial de 50 ÷ 75 cm de largo y 88 ÷ 122 cm de diámetro, según sea el tamaño del tubo que se ha de fabricar, y sus ejes se cruzan formando un ángulo de 10°. La forma permite que los rodillos empujen a los extremos de la barra y aquéllos hacen girar a ésta, lentamente, hacia adelante, forzándola sobre un mandril puntiagudo que se mantiene en una posición verdaderamente axial. Después del horadado, las superficies exterior e interior son lisas. La operación es tan enérgica que exige materiales de buena calidad. Figura 49. Laminación de tubos a paso de peregrino.

En la figura 49 se presentan las operaciones de reducción en caliente de la pared del tubo y de su diámetro de tubos mediante el procedimiento conocido como  paso de peregrino. Los cilindros perforados se llevan sobre una barra central y se introducen entre dos cilindros transversales. Cada cilindro tiene una garganta circular de profundidad decreciente que lamina el cilindro hueco sobre la barra central. Los cilindros giran en sentido inverso al movimiento del tubo, de modo que éste avanza un poco después de cada carrera. El tubo se gira sobre un eje 90° cada vez para mantener las paredes uniformes. Los tubos sin costura se prefieren en muchos servicios. Las piezas de 78

Hechurado

construcción de bicicletas, automóviles y en aviación, frecuentemente se estiran en frío para conseguir paredes delgadas. ESTIRADO DE LOS TUBOS SOLDADOS Las bandas de acero o hierro forjado que se emplean para hacer tubos se conocen como skeps. Se fabrican usualmente en trenes continuos y de tales dimensiones que longitudinalmente resultan un tubo con un diámetro exterior y un espesor de pared requerido. Una vez que los skeps han alcanzado en un horno llano la temperatura del rojo blanco, de modo uniforme, el operador sujeta el extremo afilado Figura 50. Estirado de tubos. Reducción del espesor de  pared y del diámetro del tubo.

79

Conformación metálica

de la barra en las tenazas, fuerza aquélla dentro de una matriz de soldar en forma de campana, agarra el otro extremo con otras tenazas que enganchan en una cadena sin fin en movimiento, que empuja la banda lisa a través de la campana donde se arrolla en forma de tubo, y los extremos se unen y se aprisionan juntos y forman una verdadera unión soldada. Todo esto se realiza en una operación. TREFILADO El trefilado es una operación importante del trabajo de los metales y tiene por finalidad la fabricación de alambre. El trefilado consiste en reducir el diámetro de un perfil redondo de un metal haciéndolo pasar, por un esfuerzo de estirado a través de una matriz circular (Figura 51). El lingote se trabaja por laminado en caliente hasta llegar a la forma de pletina y varilla. La varilla, después de decapada, se trefila en frío con varios tipos de máquinas. Si el material no puede experimentar una gran deformación sin romperse, generalmente la varilla se trefila en una máquina de un sólo paso, y después se recuece el material y se le somete a una nueva reducción. Los materiales que resisten varias reducciones consecutivas sufren los pasos de modo continuo. Para el alambre corriente se emplea la maquinaria de 4 o 5 pasos, y cuando se desea alambre más fino, aquél se recuece y se pasa por máquinas que tienen hasta 19 matrices. Figura 51. Representación esquemática del trefilado. Reducción del diámetro del   perfil de sección redonda al   pasar a través de una matriz.

Para ciertos metales las matrices pueden ser de acero, y para trefilar el acero ahora es corriente emplear matrices de vidia. Estas últimas, aunque son más caras tienen una vida más larga, y como no se desgastan tan rápidamente, permiten regular con más facilidad el tamaño del alambre. Para trefilar metales tales como el molibdeno y wolframio, operación que ha de ser en caliente, se usan matrices de diamante. También para el alambre fino de acero se usan matrices de diamante. 80

Hechurado

Se han realizado ensayos para trefilar el acero a elevadas temperaturas pasándolo por un baño de sal fundido, estando la matriz fuera o sumergida, lo que aumenta mucho la producción y permite mayores reducciones, por ser el metal más plástico. Hay que cuidar de no sobrepasar la carga de rotura del metal a la temperatura de trabajo. La vida de las matrices se prolonga por lubricación entre ella y el material. La viscosidad del lubricante puede ser menor cuanto mayor es la velocidad de paso del metal y más elevada es la temperatura de ésta, según es de esperar, y también cuanto más blando es el metal o aleación que se trefila. El desgaste de las piezas sometidas a fricción por deslizamiento se disminuye con un recubrimiento de fosfato de hierro-manganeso, asociado siempre con un lubricante tal como el aceite, grasa o disulfuro de molibdeno. El problema de la fricción y desgaste de la matriz es muy complejo e interesante, y por esta razón se tiende a emplear matrices de vidia. En algunos casos se ha conseguido mejorar la producción con el empleo de matrices de acero con un recubrimiento de cromo duro.

81

Mecanización

El término mecanización se refiere a la elaboración de piezas de una configuración geométrica requerida mediante el arranque de capas sobrantes. Con frecuencia, como piezas en bruto, o preformas, se utilizan las piezas moldeadas, forjadas, estampadas y laminadas, que necesitan ulteriores acabados, es decir, corrientemente se emplea el mecanizado para completar otros procedimientos de conformación. Los principales tipos de mecanización son los siguientes: por arranque de viruta, por abrasión, ultrasónico, mecanizado térmico y electromecanizado. MECANIZADO CON ARRANQUE DE VIRUTA En el mecanizado con arranque de viruta, el metal de la pieza a mecanizar se fuerza de modo intenso exactamente delante del extremo cortante de la herramienta y el metal arrancado se rompe de modo aproximadamente perpendicular a la cara de la herramienta, con formación de viruta. El tipo de viruta discontinua o continua depende de la tenacidad del metal de la pieza a mecanizar. Los materiales frágiles, como la fundición y el bronce, desprenden virutas arrancadas. Si el metal es tenaz, el tipo de viruta depende de la velocidad de aplicación de la herramienta: las velocidades de corte reducidas producen virutas cortadas, mientras que las velocidades de corte elevadas originan virutas plásticas. Los principales procedimientos de mecanizado con arranque de viruta, son: el aserrado, el taladrado, el torneado, el cepillado y el fresado. MECANIZADO POR ABRASIÓN El mecanizado por abrasión suele constituir la última etapa del mecanizado mecánico. Se realiza aplicando un abrasivo sobre la parte de la pieza a mecanizar. La eficiencia en eliminación de material en un proceso de mecanizado por abrasión se determinará por la proporción de abrasivos que entre en contacto con la pieza a trabajar, que tenga un ángulo de incidencia apropiado para el corte de la viruta. Las partículas de abrasivo que inciden sobre la pieza a mecanizar con ángulo de ataque negativo respecto a la vertical actúan deformando la superficie de la pieza a mecanizar de la misma manera que un arado labra la tierra de cultivo. El primer tipo de partículas actúa con mayor eficiencia en el rectificado por abrasión que el segundo tipo. MECANIZADO ULTRASÓNICO El mecanizado por ultrasonidos consiste en alimentar a una bobina de 83

Conformación metálica

devanado con una corriente alterna de 25 kHz. El campo magnético alterno creado y continuo, debido al imán permanente, actúa sobre el magnetoestrictor (láminas de níquel) y éste se alarga y contrae 25 000 veces por segundo con una amplitud de 0,01 mm emitiendo ondas ultrasónicas de igual frecuencia que la corriente alterna inicial. Las vibraciones del magnetoestrictor se transmiten al soporte resonante que, a su vez, las transmite a la herramienta a través de la fuente de perfil exponencial. Las dimensiones del soporte suelen ser tales que benefician la posibilidad de existencia de resonancia entre las vibraciones eléctricas aplicadas y las oscilaciones propias del conjunto. Cuando la cabeza de la herramienta contacta con la superficie a mecanizar la somete aun martilleo de frecuencia ultrasónica y penetra en ella. Inyectando polvo abrasivo (carburo de silicio, óxido de aluminio...) entre herramienta y pieza, la penetración es más rápida porque las vibraciones aceleran las partículas abrasivas. MECANIZADO TÉRMICO Los procedimientos de mecanizado térmico se caracterizan por la concentración de la energía, en forma de calor (del orden de 10° a 10 8 W/cm2), en una zona de la superficie de la pieza, con lo cual se consiguen su fusión y su evaporación, sin apenas afectar a los átomos de las zonas vecinas. La energía de mecanizado se suministra en forma de calor (el soplete de oxicorte, la pistola de plasma), de luz (el láser), o de bombardeo electrónico (el haz de electrones). NOCIONES DE ELECTROMECANIZADO En esencia, el electromecanizado consiste en colocar la preforma o pieza a mecanizar en una cuba frente a un electrodo útil, que tiene la "forma negativa" de la pieza deseada o del modelo, y conectarla con un electrodo del generador de corriente. La preforma se disuelve selectivamente en el baño a una velocidad que es proporcional a la densidad de corriente en cada zona superficial. Densidad que se estabiliza uniformemente a medida que la pieza a electromecanizar se "acopla" frente al electrodo-útil. La disolución selectiva de la pieza a electromecanizar se puede realizar de dos maneras distintas: 1) Introduciendo un líquido dieléctrico en la cuba, en cuyas condiciones al aplicar una fuerza electromotriz entre los electrodos saltan chispas o arcos, que previamente se orientan adecuadamente, los cuales suelen durar entre milésimas y millonésimas de segundo, tiempo suficiente para producir la fusión local en la superficie de la pieza. Es decir, por efecto térmico se producen microcráteres en la pieza. El mecanizado electroerosivo mediante chispa es más preciso que el obtenido mediante arco. Este es, en síntesis, el fundamento del mecanizado por electroerosión (ElectricDischarge Machining: EDM). 2) Introduciendo un líquido electrolítico en la cuba, la pieza a electromecanizar se coloca en el electrodo que actúa de ánodo, y el ánodo se disuelve iónicamente. Es el fundamento del propiamente denominado mecanizado electroquímico (Electro-Chemical Machining: ECM). 84

Magnetohechurado

El magnetohechurado es la conformación instantánea, en frío, de los metales no magnéticos, mediante impulsos electromagnéticos de gran intensidad. El procedimiento de conformado por impulsos electromagnéticos es Figura 52. Esquema eléctrico del magnetohechurado.

85

Conformación metálica

relativamente nuevo y, en general, casi desconocido. Es un modo operativo que ha demostrado que podía resolver problemas complejos, algunas veces insolubles con otros procedimientos clásicos, y a unos precios muy competitivos. El magnetohechurado fue desarrollado industrialmente hace unos 20 años por la empresa aeronáutica americana General Dynamics, para resolver ciertos problemas en componentes para la industria aeronáutica.  Actualmente,  Actualment e, la empresa Maxwell fabrica en EE.UU. los generadores generad ores de impulsos electromagnéticos, y se calcula que deben de estar en servicio más de 700 aparatos en Estados Unidos. Sabemos que en la URSS existen generadores de impulsos de 200 kilo-julios de potencia, pero no ha sido posible obtener más información. Figura 53. Bobina de cobre utilizada en el  magnetohechurado.

En Francia, Barras Provence inició en 1976, en colaboración con la Comisaría de Energía Atómica (CEA), los estudios para taponar, por este procedimiento, la parte inferior de los tubos que contienen el uranio en los reactores nucleares. Actualmente, en Francia se utiliza este sistema para la fabricación de los citados tubos. FUNDAMENTOS El magnetohechurado (figura (figura 52) 52) se fundamenta en la fuerza que ejerce una bobina (figura 53) conectada aun generador de impulsos. Las bobinas pueden ser de compresión y de expansión (Figura (Figura 54). 54). En la figura 55 s 55 se e aprecia el esquema general del magnetohechurado. El generador de impulsos está constituido por el transformador, un conjunto de condensadores, un contactor, una bobina de cobre, Q por donde circula la intensidad l1; situada en el interioro en el exterior de la pieza tubular a magnetohechurar, C2. Bobina, pieza y matriz siempre están colocados en este orden, ya que la bobina induce una fuerza en la matriz que se aplica sobre la pieza a hechurar. 86

Magnetohechurado

Figura 54. Principales tipos y dimensiones aproximadas de las bobinas utilizadas en el magnetohechurado.

El generador de impulsos está esencialmente constituido por: Un transformador que eleva la tensión hasta 20 kV. Una batería de condensadores que almacena la energía. Figura 55. Esquema general del magnetohechurado.

87

Conformación metálica

Figura 56. Representación esquemática de las líneas de fuerza de un campo magnético inducido (H), en torno a un conductor  metálico, por donde circula I 1.

— Un contador de tipo ignitrón o de "estallido". — Una bobina de cobre situada en el interior o en el exterior de la pieza tubular que se ha de conformar. Un conductor eléctrico C 1;  recorrido por una corriente l1, genera un campo magnético H (Figura 56). En el momento de la descarga, la bobina está recorrida por una corriente I 1, en forma de onda amortiguada (Figura 57). Esta corriente, variable en el tiempo, induce una corriente l 2  (corriente de Foucault), de signo contrario, en un conductor C 2 (Figura  (Figura 58). 58). Figura 57. Onda amortiguada en la descarga del generador  de impulsos.

88

Magnetohechurado

Figura 58. Comente (I 2 )  inducida, o de Foucault, en la  pieza a magnetohechurar (C 2 )  p or medi o del campo magnético (H) asociado a la corriente inductora (I 1 ) de la bobina.

La presencia simultánea de estas dos corrientes de signo contrario en conductores paralelos, crea fuerzas de repulsión o fuerzas de Laplace (Figura 59). La fuerza resultante F es una función del producto I 1, l 2. F = f (I 1 l 2)

Los generadores de impulsos tienen actualmente las características siguientes: Figura 59. Fuerzas repulsivas de Laplace creadas en dos conductores paralelos (bobina y pieza a magnetohechurar), de modo que ésta se encuentra forzada contra la matriz, reproduciendo su forma.

89

Conformación metálica

I 1 = U = W= t =

Centenares de kiloamperios. Decenas de kilovoltios. Decenas de kilojulios. Decenas de microsegundos.

Un circuito secundario, montado en paralelo con los condensadores permite la carga de estos elementos. La descarga de los condensadores a la bobina se efectúa a través de un contador tipo de "estallido". Las bobinas pueden ser de formas y de dimensiones variables: — Exteriores cilíndricas. — Interiores cilíndricas. — Planas. — Cónicas. TÉCNICA La posibilidad de deformar una pieza por magnetohechuración depende básicamente de la materia en la que está construida. Normalmente, se trabaja con los siguientes metales: — Aluminio y sus aleaciones. — Cobre y sus aleaciones (latón, bronce, etc.). — Aceros inoxidables de muy bajo contenido en carbono. — Plata, oro, platino. Las características de alargamiento del metal a deformar, definirán los límites de deformación de la pieza, antes de llegar al límite de rotura. No obstante, hay que tener en cuenta, que las deformaciones por magnetohechuración se efectúan a velocidades muy elevadas (50 a 300 m/s), y el metal pasa por un estado plástico-viscoso, lo que explica que los límites de alargamiento de la mecánica clásica, pueden sobrepasarse, en algunos casos, del 10 hasta el 25 %. Los factores básicos que caracterizan las piezas a conformar son: — La conductividad eléctrica. — La forma de deformación. — El límite de alargamiento. — La densidad. Los metales férreos y con poca conductividad eléctrica, no son aptos para la magnetohechuración ya que se producen pérdidas por el efecto de Joule. VENTAJAS — Precio de costo de la realización de piezas muy competitivo debido al bajo consumo de corriente eléctrica. — Facilidad de puesta en servicio: el procedimiento permite aplicar en zonas de difícil acceso fuerzas de elevada intensidad, con una puesta en servicio fácil. 90

Magnetohechurado

— Sencillez de utilización: las energías pueden regularse fácilmente. El mismo generador puede utilizarse para múltiples aplicaciones (regulación de potencia desde 20 hasta el 100%). — Permite nuevas perspectivas de gamas de fabricación. El mismo generador puede acoplarse aun autómata para fabricar millones de piezas idénticas, o hacer series de 20 o más piezas. — Desgaste nulo (más de 2 000000 de operaciones). — Facilidad de realizar piezas complejas con una gran precisión y fiabilidad en las dimensiones y formas. INCONVENIENTES — Procedimiento nuevo que necesita, a veces, ensayos previos antes de poder realizar ciertas piezas. — Límite de utilización de los materiales a deformar. — Requiere una protección adecuada debido al uso de las altas tensiones de trabajo. APLICACIONES En la industria del automóvil se utiliza el magnetohechurado para la unión de ejes de transmisión en acero, unión de armaduras de volantes, unión de anillos de colectores de alternadores, engastado de cojinetes de inducidos, conformado de llantas de aluminio, engastado de depósitos para gas-oil, unión de elementos de suspensión y para la fijación de manchones de goma para transmisiones. La industria nuclear aplica la magnetoconformación en: soldadura de los tapones de inoxidable de los tubos que contienen el combustible nuclear, conformado de las juntas de inoxidable de las vasijas de los reactores, cierre de las tapas de los containers en aluminio para el combustible nuclear, engrapado de cables de acero inoxidable para telemanipuladores, compresión de barras de control en inoxidable, y soldadura de tubos sobre bridas para centrífuga. Por su parte la industria de la aviación emplea la magnetoconformación: conformado de rótulas de bombas hidráulicas. El armamento magnetoconforma lo siguiente: blindaje de los circuitos eléctricos de los misiles, engastado de los aros de cobre de los proyectiles, conformado de los tubos lanza misiles y cierres estancos para investigaciones submarinas de gran profundidad. El sector de la electricidad utiliza la magnetoconformación para: ensamblado de estatores de motores eléctricos, ensamblado de tubos de aluminio sobre piezas de fundición para elementos de distribución, ensamblado de anillos de colectores, ensamblado de conteras de fusibles, engrapado de cables eléctricos, soldadura de uniones aluminio-cobre y unión de superconductores. Las aplicaciones anteriormente reseñadas se dan únicamente a título informativo ya que las aplicaciones del sistema son ilimitadas. 91

Hechurado por explosión

El principio del hechurado por explosión en líquido se fundamenta en el fenómeno físico de la explosión que es una transformación química rápida de la materia, acompañada de la transformación de su energía potencial en trabajo mecánico de deformación. El trabajo producido por la explosión se debe al aumento de volumen debido a la rápida expansión de los gases que se forman en el momento de la explosión. Figura 60. Hechurado por explosión.

TÉCNICA De todos los procesos, es la conformación por explosión con agua como medio transmisor de la energía de la explosión de la materia explosiva hasta la preforma, el más utilizado generalmente (Figura 60). La preforma está situada en la matriz, sus bordes están sujetos por el anillo de sujección. A una distancia bien determinada de la preforma se dispone la carga de explosivo. Se introduce la matriz con la preforma y la carga de 93

Conformación metálica

explosivo en un recipiente lleno de agua. Una parte de la energía desarrollada en la explosión de la carga, se transmite por intermedio del agua hasta la preforma. Bajo el efecto de la elevada presión, se absorbe aire que se Figura 61. Esquema del hechurado electrohidráulico.

94

Hechurado por explosión

encuentra bajo la preforma, en la cavidad que forma la matriz, se evacúa a través del canal. En la fabricación de pequeños lotes de piezas se emplea en lugar del recipiente estacionario recipientes no recuperables. PARÁMETROS El régimen y las condiciones de conformado por explosión en líquido son función de los siguientes parámetros: — Tipo de explosivo, masa, densidad y forma. — Disposición de la carga. — Nivel del líquido. — Fuerza de amarre de la preforma y forma de asir. — Diámetro del recipiente. — Espesor de la preforma. Los explosivos más utilizados: amonita, goma 1-ED, goma 1-E-AGV y trinitrotolueno, con velocidad de detonación (m/s) de: 2.700, 6.000, 7.000 y 6.900, respectivamente. La masa de explosivo es parámetro importante del proceso. La correcta determinación influye no solamente en la eficacia técnica y económica, sino también en la viabilidad del proceso. HECHURADO ELECTROHIDRÁULICO En la figura 61 una descarga eléctrica genera ondas de choque dentro de un líquido y éstas proyectan la preforma sobre la superficie de la matriz. En realidad es un antecedente de la compactación hidroestática, que se describe seguidamente. El hechurado electrohidráulico se diferencia de la compactación hidroestática porque la fuerza es ejercida por una descarga eléctrica en lugar de ser por efecto mecánico o hidráulico de una prensa de estas características.

95

Compactación isostática en caliente

La compactación isostática es un procedimiento mediante el cual un material (masa de polvo, pieza defectuosa, etc.) se compacta a cierta forma predeterminada por aplicación de presión transmitida por vía de un fluido a través de un molde impermeable. El comportamiento del material así tratado implica contracción de la herramienta por aplicación de presión. El molde se suele llenar, además del material a tratar, de gas inerte mientras que el fluido utilizado para transmitir la presión suele ser de naturaleza líquida en CIP (compactación isostática en frío) y argón en HIP (compactación isostática en caliente). Figura 62. Molde y representación de la presión en la compactación hipostática.

97

Conformación metálica

Otros factores a tener en cuenta en la compactación isostática son la temperatura de trabajo y el tiempo de aplicación de la presión. Referente al primer factor cabe añadir que se puede trabajar a temperatura ambiente (CIP) o a elevadas temperaturas (HIP). Últimamente han adquirido gran importancia el HIPing: procedimiento de fabricación de piezas de forma casi acabada near-net-shape. Este procedimiento es el objetivo perseguido a nivel industrial, para conseguir mejorar la productividad, reducir los costos y eliminar pérdidas de materia prima, sobre todo al utilizar metales escasos. La pulvimetalurgia o procedimiento consistente en compactar una masa de polvo metálico en una matriz que tiene la forma de la pieza acabada, sinterizarla dentro de un horno con atmósfera controlada y calibrar a la forma y dimensiones finales, ha sido una tecnología efectiva para producir gran variedad de piezas de forma casi acabada de distintos metales y aleaciones: aceros de herramientas, superaleaciones, aleaciones magnéticas permanentes, aleaciones de titanio, etc. Pero las piezas obtenidas por los procedimientos pulvimetalúrgicos convencionales siempre presentan porosidad residual, causante de la diminución de la resistencia mecánica y de la ductilidad, respecto a las piezas macizas. !

FUNDAMENTOS El principal problema que presenta el tratamiento de las masas de polvos radica en la falta de fluidez: no cumple el principio de Pascal, aunque se hayan mezclado con un adecuado porcentaje de lubricante (estearato de cinc),. En este caso, al aplicar una presión con uno o dos punzones, aparece una distribución de densidades. En ambos ejemplos existen considerables diferencias de densidades en la superficie y en el interior y también según qué zonas de la superficie. Se trata de presión a temperatura ambiente. Si esta presión se aplica a un fluido, generalmente a un líquido, se transmite íntegramente a todas las zonas de una pared, como la esquematizada en la figura 62, que contiene, en su interior, una masa de polvos. Esta pared flexible tiene la forma de pieza acabada, aunque no las dimensiones de la misma. La existencia de un líquido en la parte exterior de la figura de paredes flexibles garantiza la uniformidad de la presión aplicada en estas paredes. Si simultáneamente a la presión se aplica temperatura, la distribución de densidades conseguidas en el interior de la masa de polvos es mucho más uniforme. La aplicación simultánea de la presión y la temperatura se puede realizar según alguno de los gráficos reproducidos en la figura 63. La compactación isostática en caliente, aplicada a las piezas obtenidas por pulvimetalurgia, tiene por objeto eliminar la porosidad que siempre aparece aplicando la técnica pulvimetalúrgica, convencional. De este modo se mejoran considerablemente las porosidades mecánicas de las piezas pulvimetalúrgicas. De hecho se trata de un procedimiento muy parecido a la técnica de forja de preformas sinterizadas. Ambos son procedimientos aplicados para conseguir la máxima densidad en piezas porosas. Pero el HIP también se aplica para aumentar la densidad en otras piezas que las obtenidas por pulvimetalurgia. 98

Compactación isostática en caliente

Figura 63. Variación de los valores de la temperatura y de la presión a lo largo del tiempo en operaciones típicas del HIP. a) masa de polvos metálicos; b) masa de polvos cerámicos; y c) masa de polvos de acero rápido o de superaleaciones.

CAMPO DE APLICACIÓN  Además del evidente interés que el HIP tiene en el ámbito pulvimetalúrgico, su aplicación sobrepasa estos límites. A continuación describiremos algunos ejemplos de aplicación. 1) Piezas moldeadas. Los fenómenos de solidificación que ocurren en 99

Conformación metálica

el moldeo de piezas metálicas suelen implicar la existencia de porosidad más o menos evidente, además de segregaciones, en el caso de las aleaciones. El HIP aparece como un eficaz remedio para paliar estas dificultades, como lo indica la variación de propiedades mecánicas de probetas de aleación de aluminio reproducida en la figura 64. El procedimiento HIP aplicado está patentado en USA.

Figura 64. Resistencia a la tracción de probetas de distintas aleaciones pero de las mismas dimensiones: 7 X 7 x (3/4) pulgada.

2) Recuperación de piezas que han experimentado fenómenos de fluencia y de fatiga. El HIP logra eliminar totalmente las incipientes grietas originadas por estos mecanismos. 3) Encapsulación de gases radiactivos en moldes herméticos de naturaleza cerámica. 4) Recuperación de partes desgastadas. 5) Soldadura en estado sólido. TÉCNICA La compactación isostática en caliente (HIP) implica la aplicación homogénea de una presión a lo largo y a lo ancho de toda una superficie, 100

Compactación isostática en caliente

Figura 65. Representación esquemática de la transmisión de presión en el HIP.

esquematizada en la figura 65 por una circunferencia, mientras que a la pieza sustrato, representada por el círculo de la citada figura, se mantiene a elevada temperatura. A continuación se resume la técnica empleada para llevar a cabo este procedimiento describiendo los equipos, aparatos y utillaje utilizado. Figura 66. Esquema simplificado del  procedimi ento de la compresión isostática en caliente.

101

Conformación metálica

Figura 67. Autoclave de planta  piloto utilizado uti lizado en el HIP.

INSTALACIÓN Una instalación típica utilizada para el HIP, representada en la figura la  figura 66, 66, conlleva la existencia simultánea de presión y temperatura, lo cual se realiza dentro de un tanque o autoclave (figura 67), generalmente controlado y dirigido por medio de un ordenador. Los elementos calefactores introducidos en el autoclave pueden ser, según la finalidad del HIP, de Figura 68. Componentes del  homo del autoclave utilizado en el HIP.

102

Compactación isostática en caliente

molibdeno o grafito (Figura (Figura 68). 68). Por lo general, una factoría dedicada a la compactación isostática en caliente suele estar provista de varias unidades HIP, de manera que mientras un autoclave está en la etapa de carga, otro está en el precalentamiento, otro en la de enfriamiento, otro en la de descarga, etc. (Figura 69). Figura 69. Representación de una planta industrial del  procedimi  proc edimi ento. ento . HIP: HI P: 1 , recipiente para el HIP; 2, recipiente para el CIP; 3,  prensa; 4, carga; carga; 5, sistema sistema neumático; 6, sistema de refrigeración; 7, sistema hidráulico; 8, equipo eléctrico; 9, pupitre de mando.

Estos equipos necesitan el concurso de sistemas electrónicos para controlar la temperatura, el grado de vacío, las velocidades de calentamiento y de enfriamiento de los hornos, las velocidades de los fluidos, etc. Los ordenadores evitan errores humanos, aumentan la eficacia de la operación por la rapidez de sus respuestas y la seguridad del taller. EQUIPO El equipo habitualmente utilizado para la compactación isostática en caliente tiene, en calidad de elemento principal, el autoclave o el tanque de presión. Autoclave En síntesis, el autoclave es un aparato en cuyo interior se puede aplicar simultáneamente presión y temperatura (Figura ( Figura 67). 67). Debido a las condiciones de trabajo el diseño del autoclave es de gran importancia desde el punto de vista de la seguridad, pues la zona más peligrosa es la termofluencia que se desarrolla en la circunferencia del cilindro interior, donde se aplican los esfuerzos y se desarrolla la máxima termofluencia. Además de este tipo de fallo también es muy frecuente la aparición de fenómenos de fatiga térmica y de fatiga mecánica. En el diseño del autoclave, junto a 103

Conformación metálica

estos problemas, hay que tener presente la necesidad de las entradas de fluidos, termopares, piezas, sensores, etc. dentro del autoclave. Teniendo en cuenta la función desempeñada por el autoclave y los problemas técnicos más frecuentes en su funcionamiento se ha optado por diseñar tres tipos de autoclaves, que son los siguientes: Figura 70. Esquema del  autoclave monolítico utilizado en el HIP.

Monolítico. El autoclave monolítico está constituido por un robusto cilindro hueco de acero, hechurado por forja, y por dos tapas (la superior y la inferior). Suelen resistir presiones del orden de los 200 MNm -2. Un ejemplo de este tipo de autoclaves se aprecia en la figura 70. Pared multicapa. La pared exterior de los autoclaves de pared multicapa (figura 71) 71) está formada por un conjunto de capas de acero yuxtapuestas. Con la finalidad de aumentar su resistencia a las fatigas mecánica y térmica, 104

Compactación isostática en caliente

Figura 71. Esquema de parte de un autoclave de pared multicapa utilizado en el HIP.

se somete a un proceso de "sobre deformación". Este proceso consiste en aplicar una presión de unos 600 MNm-2  a un autoclave calculado para unos 200 MNm-2 antes de empezar a funcionar.  A continuación se somete a un tratamiento térmico de recocido. Reforzado con alambre pretensado. Los autoclaves reforzados con alambre pretensado suelen resistir presiones del orden de los 600 MNm -2. En la figura 72 se aprecia una sección de autoclave de este tipo. Figura 72. Esquema de parte de un autoclave con paredes reforzadas con alambres  pretensados.

105

Conformación metálica

Figura 73. Tapas del autoclave empleado en el   procedimiento HIP.

En los tres tipos de autoclave es de capital importancia el diseño del cierre del mismo: sea por arriba o sea por abajo o en ambas partes. De esta importancia deriva la necesidad de conseguir la máxima seguridad y, Figura 74. Esquema de un horno situado dentro de un autoclave.

106

Compactación isostática en caliente

Figura 75. Elementos calefactores utilizados en el HIP.

además, la máxima rapidez en la carga y en la descarga de las piezas. La mayoría de los autoclaves van provistos de tapas roscadas que sirven de cierre idóneo (Figura 73). En cuanto a las dimensiones, los autoclaves utilizados industrialmente para el HIP suelen tener un diámetro de 1,2 m y una altura de 3 m, aunque existen algunos de 3 m de diámetro y 12 m de altura. Figura 76. Procedimientos para transmitir el calor en los hornos usados en el HIP: a) radiación; b) convección natural; y c) convección forzada.

Horno Las paredes del autoclave, que tienen que resistir elevadas presiones, es conveniente que estén a la menor temperatura posible. Por este motivo los hornos están dentro de los autoclaves pero separados de la pared de estos mediante barreras térmicas, como se aprecia en la figura 74. Los elementos calefactores suelen ser resistencias de molibdeno o sus aleaciones si bien es frecuente el empleo de otros metales, como los seleccionados en la tabla de la figura 75. El calor se transmite de las 107

Conformación metálica

resistencias a las piezas a tratar mediante radiación o mediante convección simple o forzada, como está esquematizado en la figura 76. En el primer caso las resistencias eléctricas están repartidas a lo largo del cilindro hueco, mientras que en los dos casos siguientes sólo se colocan resistencias en la parte inferior del autoclave. Los autoclaves, por lo general, también están equipados con serpentín, que, al circular agua en su interior, actúa de eficaz sistema de refrigeración, como indica la figura 77 .

Figura 77. Equipo del HIP.

Moldes o cápsulas Debido a que el coste de los moldes es relativamente bajo, el HIP es ideal para fabricar prototipos y piezas que comprenden pequeñas series. Un material típicamente fabricado mediante el HIP es el aislante de óxido de aluminio utilizado en las bujías de los motores de gasolina. En la figura 78 se han recogido las propiedades más sobresalientes de los principales materiales empleados para la fabricación de las cápsulas o moldes. Dentro del molde, además de la pieza a tratar o del polvo a compactar, se puede añadir un líquido dando lugar a la técnica de la encapsulación húmeda. De lo contrario, se está trabajando en la encapsulación seca. En el primer procedimiento del HIP se consigue más uniformidad, en cuanto a la distribución de la presión que con el segundo (encapsulación en seco). Pues si bien es verdad que en el interior la humedad es opcional, en la parte externa del molde la presencia de un fluido, para transmitir la presión, es imprescindible. 108

Compactación isostática en caliente

Fluidos Los fluidos más ampliamente utilizados para transmitir la presión a las paredes del molde o cápsula suelen ser los gases inertes (helio, nitrógeno y argón) y el aceite hidráulico (suspensión o emulsión de aceite en agua). Con el aceite hidráulico se llega fácilmente a los 400 MNm -2 de presión en las paredes de los moldes. La principal precaución a tener en cuenta en el manejo de estos fluidos es evitar su contaminación, sobre todo la entrada de partículas abrasivas, que erosionarían las válvulas. Por este motivo se recomienda filtrar muy a menudo estos fluidos, por ejemplo, antes de volverlos a los tanques de reserva.

109

Figura 78. Principales  propiedades de los materiales utilizados para fabricar moldes o cápsulas.

Soldadura

La soldadura es un procedimiento de conformación metálica que se utiliza cuando los otros procedimientos son imposibles de aplicar. Un ejemplo típico de la soldadura es el ensamblaje de partes de una pieza compleja o de una instalación: estructura metálica de un edificio, puente, etc. En el argot de la conformación metálica suele pronunciarse la frase "soldar es bueno pero no soldar es mejor", que, en el fondo, se cumple para cualquier metal o aleación. Este aforismo viene a decir que sólo se suelda cuando no existe más remedio. De lo contrario se prefieren los otros procedimientos de conformación metálica. No obstante la soldadura, como procedimiento de unión entre partes de objetos metálicos, constituye un procedimiento de conformación metálica muy versátil, aplicable a prototipos y pequeñas series. Se entiende por soldabilidad la facilidad con que un metal se puede conformar por soldadura de sus partes, así como la habilidad de la unión soldada para resistir las condiciones de servicio. Los procedimientos utilizados para soldar son: soldadura al arco con electrodo de tungsteno protegido porgas inerte (TIG: tungster inert gas), soldadura al arco con electrodo metálico consumible protegido por gas inerte (MIG: metal inert gas), soldadura al arco con electrodo revestido, soldadura de arco sumergido y soldadura al plasma. TIG En el procedimiento TIG (figura 79) se emplea una corriente de gas inerte para proteger la soldadura. El arco se hace saltar entre un electrodo de tungsteno y el material base y, por una boquilla que rodea al electrodo, se hace llegar helio o argón, de modo que envuelva completamente al electrodo, al arco y a la masa fundida del metal y elimine toda atmósfera oxidante. MIG Si se utilizan una atmósfera protectora de gas inerte y una varilla de metal de aportación, y se hace saltar el arco entre éste y el material a soldar, se tiene el muy conocido proceso de soldadura con arco de electrodo metálico: MIG (Figura 80). El arco no sólo funde el metal a unir sino también el metal del electrodo, alimentando así la soldadura con el metal de aportación. Los electrodos metálicos se consumen rápidamente y hay que interrumpir la operación para reemplazarlos. MAG Durante los últimos años el proceso MAG (metal y gas activo, tal como 111

Conformación metálica

Fisura 79. Soldadura mediante TIG

el dióxido de carbono) ha ido aumentando en la industria. El MAG en realidad es el MIG con una atmósfera de argón y cantidades del orden del 2 % de oxígeno, porcentaje suficiente para crear una atmósfera protectora con cierto carácter oxidante. Las principales razones para esta tendencia son: Figura 80. Soldadura por MIG.

— Mayor economía del procedimiento MAG comparado con los otros sistemas. — Alta versatilidad de aplicaciones en talleres de construcción metálica. — Alta calidad de la unión de soldadura. 112

Soldadura

En el mercado el proceso MAG compite con v entaja con la soldadura clásica al arco eléctrico con electrodo recubierto. Con la soldadura MAC y totalmente mecanizada se reducen sensiblemente los tiempos muertos de limpieza y posicionado. Figura 81. Representación esquemática de la soldadura mediante electrodo revestido.

SOLDADURA AL ARCO CON ELECTRODO REVESTIDO Este procedimiento es como el MIG pero sin gas protector: figura 81. La atmósfera protectora se genera «in situ» por fusión y evaporación del Figura 82. Soldadura mediante arco sumergido.

113

Conformación metálica

revestimiento del electrodo. Se suele utilizar rectificador de corriente conectado al metal con el electrodo positivo: así se asegura mejor penetración y fusión completa. Los electrodos revestidos, dada la amplia variedad de aportaciones existentes y la economía del propio procedimiento, se usan en gran variedad de uniones y diferentes espesores. Los revestimientos más empleados son los de rutilio y los básicos. Los tipo rutilo (óxidos minerales de titanio con ferroaleación y escorificantes a base de sílice) son poco empleados y los básicos puros (carbonato y fluoruro de calcio con ferroaleaciones y escorificantes) presentan mayor dificultad operatoria. Figura 83. Pistola para la soldadura mediante plasma.

SOLDADURA CON ARCO SUMERGIDO El procedimiento de soldadura con arco sumergido (figura 82) utiliza el metal de aportación en forma de varillas o bobinas de alambre desnudos y el arco y el metal fundido permanecen debajo de una capa de fundente pulverizado, que protege de la corrosión. En una sola pasada se sueldan gruesas planchas. SOLDADURA CON PLASMA El plasma se genera en la pistola de soldar (figura 83) y se concentra o constriñe por efecto térmico o por efecto magnético. Entre los dos electrodos de la pistola se aplica un generador de alta frecuencia y se introduce el gas plasmágeno. Un extremo de la cámara es un electrodo de material conductor perforado en su centro para proporcionar un chorro de plasma. 114

Soldadura

SOLDADURA POR RESISTENCIA Soldar por resistencia consiste en unir varias piezas por medio de fusión, producida por la energía calorífica generada por el paso de comente eléctrica de alta intensidad durante un corto tiempo, sometiendo al mismo tiempo las piezas a un esfuerzo de compresión. De este modo se genera una fusión puntual y muy concentrada, debido a una cierta cantidad de calor (Q), proporcional a la resistencia eléctrica del circuito ( R ) y al cuadrado de la intensidad de la corriente ( I ), que circula por él durante un tiempo 2 

(t):Q=R.I  .L

Entre las soldaduras por resistencia destacamos las siguientes: — Soldadura por puntos. Los dos electrodos se van aplicando en distintos puntos o, mejor, zonas de la chapa a soldar. Se utiliza para unir chapas de espesores mínimos de 0,05 mm y espesores máximos de 8 mm cada chapa. — Soldadura por protuberancias. En las piezas a unir se diseña un abultamiento superficial de modo que represente la resistencia y en la etapa de fusión desaparece. Este tipo de soldadura tiene la misma aplicación que en el caso de por puntos, pero con una gama más estrecha, pues no abundan las soldaduras en espesores menores de 0,2 mm, ni mayores de 3 mm. — Soldadura por roldanas. Los dos electrodos son círculos de cobre que se desplazan a lo largo de la línea a soldar. En realidad representa un conjunto de soldaduras por puntos. Se aplica en láminas muy finas (0,05 mm), mientras que no suele utilizarse por encima de 2 mm. APLICACIÓN DE LA COMPRESIÓN ISOSTÁTICA EN CALIENTE EN LA SOLDADURA El procedimiento de soldadura mediante la aplicación de la técnica de la compresión isostática en caliente fue desarrollado en el Battelle Memorial Institute de Columbus (EE.UU.). durante el año 1955 para fabricar componentes destinados a la industria de la energía nuclear. En seguida se extendió en otros campos de aplicación debido, fundamentalmente, a las siguientes razones: 1) Se pueden unir materiales de naturaleza muy dispar (metales, cerámica, etc.) bien de forma compacta bien en forma de polvos. 2) No se modifican las propiedades del metal base. Al tiempo que se generan mínimas deformaciones y distorsiones, la ausencia de la zona de fusión propia de la soldadura convencional, evita la aparición de granos de distinto tamaño, así como segregaciones y porosidad. 3) Los materiales frágiles o de baja ductilidad se pueden unir mediante esta técnica sin causar roturas. 4) La preparación superficial es mínima puesto que la termofluencia aplana las superficies de contacto. 5) La termofluencia también elimina la porosidad, de las zonas vecinas a la superficie de unión, debida al efecto Kirkendall: distinta velocidad de difusión de los metales a unir. 115

Conformación metálica

6) Es posible unir metales de altas temperaturas de fusión y unir metales de gran reactividad, que con las soldaduras convencionales forman fases intermetálicas frágiles. Por estos motivos no es de extrañar que el HIP se haya introducido en la soldadura. En la figura 84 se han esquematizado las principales aplicaciones de la soldadura mediante el HIP. Figura 84. Principales aplicaciones del HIP en la soldadura: a) contrachapado; b) "composites"; d acabados; d) enlace por difusión sólidolíquido; e) densificación de  polvos.

En realidad este procedimiento de soldadura se puede considerar como un perfeccionamiento muy depurado de la antigua técnica de la soldadura por forja, donde también se aplicaba simultáneamente presión y temperatura en las zonas de las piezas a unir. 116

Soldadura

Técnica La soldadura por HIP requiere aplicar simultáneamente presión y temperatura en las zonas de contacto de los componentes a soldar en un espacio, más o menos grande, completamente hermético. Esta condición de trabajo se consigue, como indica en la figura 85, cerrando herméticamente una delgada superficie distribuida a lo largo de la circunferencia de la zona de contacto, aplicando un manguito a lo largo de lacitada circunferencia o bien encapsulando todos los componentes a soldar. En los tres casos, una vez conseguida la hermeticidad, se aplican simultáneamente presión y temperatura. Figura 85. Procedimientos de soldadura por compresión isostática en caliente: a, unión a lo largo de la circunferencia de contacto; b, unión en forma de manguito alrededor de la zona de contacto; c, encapsulación hermética de los componentes a soldar; d, esquema del procedimiento c 

Los valores de presión y temperatura son función de la naturaleza de los materiales a soldar. Como información aproximada diremos que la presión aplicada suele ser del orden de los 100 MPa y la temperatura comprendida entre 0,5 y 0,8 de la temperatura de fusión de los componentes a soldar expresada en la escala de valores absolutos. En la figura 86 se ha representado la influencia de la temperatura y del tiempo en la resistencia a la tracción de un material contrachapado formado por láminas de TiAI 6V4 y NiCr 15Fe. En este ejemplo hay que tener en cuenta que el vanadio y el nierro, en las condiciones térmicas de la soldadura, forman fase sigma muy frágil y quebradiza. Referente a las tres técnicas empleadas para conseguir cierres herméticos en las superficies de contacto de los componentes a unir cabe añadir que en la técnicas esquematizada por a) en la figura 85, si bien es una técnica sencilla requiere, para lograr la hermeticidad, que la forma de los compo117

Conformación metálica

nentes a unir sea muy sencilla, pues de lo contrario se complicaría la posibilidad de conseguir el vacío previo en la zona de contacto. La simplicidad de las formas también es una condición necesaria para soldar mediante la aplicación de manguitos. Pues el manguito tiene que estar perfectamente unido a las paredes de los componentes para evitar la entrada del fluido, que transmite la presión, en la zona de contacto de las superficies a soldar. Figura 86. Influencia de los  parámetros del HIP en la resistencia a la tracción de un material contrachapado formado por TiAI 6V   -NiCr 15 Fe.   4

La soldadura por HIP suele realizarse mediante la encapsulación hermética de los componentes a soldar mediante el concurso de material de relleno, tal como indican los gráficos del apartado d) de la figura 85. De este modo se puede soldar todo tipo de materiales y componentes de cualquier geometría, siempre que se utilice el adecuado material de soporte y el fluido más idóneo para transmitir la presión. Esta técnica del HIP también permite soldar masas de polvos a componentes macizos. En la encapsulación hay que tomar la precaución más adecuada para 118

Soldadura

evitar la soldadura de los componentes con las paredes del recipiente utilizado en esta técnica. También hay que tener en cuenta que la etapa final de este procedimiento es la eliminación de la cápsula y del material

Figura 87. Materiales soldados mediante el HIP.

Figura 88. Relación entre  propi edad es me cánicas y  parámetros del HIP para la soldadura de láminas de NiCr 2 OTi.

119

Conformación metálica

de relleno, por este motivo se deben seleccionar materiales que sean fáciles de separar. Para ello se suelen emplear procedimientos mecánicos para despegar el materaial auxiliar, aunque a veces se utiliza la lixiviación o disolución con reactivos químicos, que no ataquen a la pieza soldada. APLICACIONES DE LA SOLDADURA POR HIP En la industria de la aviación en particular y en la aeroespacial en general, encuentra gran aplicación la soldadura por HIP además de laya mencionada industria de la energía nuclear. Con preferencia, se aplica cuando las otras técnicas de soldadura no satisfacen al usuario. En la figura 87 se han anotado las soldaduras investigadas en el Battelle y los resultados cualitativos conseguidos. Donde la soldadura por HIP suele encontrar mayor número de aplicaciones, a nivel de materiales a unir, es en la fabricación de contrachapados o materiales compuestos (composites). En la soldadura por HIP de chapas de "nimonic 75" (NiCr 2OTi) se puede conseguir una resistencia a la tracción exactamente igual a la del metal base, aplicando 1150°C y 1050 bar durante un tiempo de 3 horas. Si se unen por HIP láminas de distinta naturaleza, en los ensayos de resistencia a la tracción se observa que la rotura tiene lugar a través del metal o de la aleación de menor resistencia a la tracción. En las soldaduras por HIP de láminas de cobre y níquel y de láminas de acero y estelitas fallan por fractura del cobre y del acero respectivamente. En el campo de los recubrimientos también encuentran gran aplicación la soldadura por HIP. La pieza se fabrican convencionalmente a partir de acero al carbono y de baja aleación y luego se recubre con polvos de materiales resistentes al calor y a la corrosión. El polvo se suele aplicar a las piezas mediante metalización por proyección con arco de plasma. Después se densifica, la capa de polvo depositada, mediante el HIP.

120

Pulvimetalurgia

La pulvimetalurgia es un procedimiento de conformación metálica, como la forja, la estampación en frío, el moldeo, etc. Su competidor más directo es el moldeo de precisión o moldeo a la cera perdida. No obstante la pulvimetalurgia se ha desarrollado recientemente debido a factores técnicos (hechurado de metales rebeldes al moldeo, forja y decolataje, fabricación de piezas de formas complicadas con las tolerancias precisas y obtención de materiales metálicos, de propiedades imposibles de lograr por los métodos antes discutidos) y económicos (eliminan etapas de fabricación y pérdidas de materia prima). La pulvimetalurgia abarca las etapas comprendidas desde la obtención de polvos metálicos, hasta las piezas acabadas, es decir, producción de polvos, mezcla, aglomeración, sinterización y acabados. Figura 89. Procedimiento de reducción mediante reductor sólido para la obtención de  polvo de hierro.

Las principales líneas de trabajo de la pulvimetalurgia son las siguientes: 1. Fabricación de piezas de aleaciones base hierro, cobre, níquel, etc., cuyos factores técnicos y económicos aconsejan dicho método por la supresión del mecanizado y aprovechamiento del metal. 2. Obtención de cojinetes autolubricantes y de filtros resistentes a los golpes y a las variaciones bruscas de temperatura, partes metálicas poro121

Conformación metálica

sas, en las que se requiere una porosidad controlada, la posibilidad de impregnación de aceite y el empleo de adiciones no metálicas, tal como el grafito. 3. Producción de carburos duros cementados, carburos de tungsteno, molibdeno y tántalo en una matriz de cobalto o níquel para herramientas cortantes y resistentes al desgaste y para matrices sometidas a servicios duros. Durante la primera guerra mundial se obtuvo una hilera de trefilación muy satisfactoria de carburo de tungsteno para la producción de filamentos de este metal para las lámparas. 4. Fabricación de contactos eléctricos, constituidos por una matriz conductora de la electricidad y del calor, en la que están embebidas partículas resistentes al desgaste. 5. También se fabrican imanes sinterizados de naturaleza cerámica, como las ferritas. Figura 90. Atomización de  polvo de acero por fusión del acero y posterior pulverización  por efecto Venturi mediante la introducción de gas o cíe agua.

OBTENCIÓN DE POLVOS METÁLICOS Los polvos metálicos se obtienen por los siguientes procedimientos: — Reducción de menas de hierro por calentamiento en presencia de reductor sólido (carbón). Es el procedimiento Höganäs (Figura 89). — Atomización: pulverización del metal líquido mediante inyección de aire o de agua (Figura 90). También se puede atomizar mediante electrodo giratorio (Figura 91). — Electrocristalización a partir de disolución iónica. A una disolución iónica del metal que interesa pulverizar se le aplica una fuerza electromotriz más elevada que la utilizada para los recubrimientos electrolíticos. 122

Pulvimetalurgia

Figura 91. Atomización de metales por electrodo giratorio. Se aplica una fuerza electromotriz entre un electrodo de tungsteno y electrodo del metal a atomizar. Este último electrodo se hace girar y, al fundir, la fuerza centrífuga expulsa gotitas del metal líquido, que solidifican al enfriarse en el aire.

Luego se arranca esta masa metálica, se lava, se pulveriza y se recuece (Figura 92). — Los polvos de hierro y de níquel muy puros se obtienen por purificación del polvo de hierro y de níquel fabricado convencionalmente. Esta purificación se realiza atacando el metal en la atmósfera de monóxido de Figura 92. Procedimiento electrolítico para la obtención de polvos metálicos. Se aplica una fuerza electromotriz muy superior a la necesaria para los recubrimientos electrolíticos.  Así en el cátodo se obtiene un depósito dendrítico, poroso, fácil de arrancar y de triturar.

123

Conformación metálica

carbono (Figura 93). El líquido obtenido se puede purificar fácilmente y luego, al disminuir la presión, se vuelve a descomponer en polvo metálico muy puro y monóxido de carbono.

— El polvo amorfo se obtiene enfriando a gran velocidad el metal líquido y, después, triturando las fibras metálicas obtenidas. Figura 93. Polvo excarbonilo. El metal (hierro o níquel) impuro se trata, a presión, con monóxido de carbono y se obtiene un líquido, hierro  pentacarbonilo o níquel tetracarbonilo, fácilmente  purificable. Al disminuir la  presión el compuesto se descompone en metal puro y en monóxido de carbono.

PROPIEDADES DE LOS POLVOS Las peculiaridades de los distintos tipos de polvos procedentes de un mismo metal dependen de su método de obtención y de los tratamientos a los cuales han sido sometidos. Las propiedades fundamentales (forma, composición, tamaño, distribución, porosidad y microestructura) definen básicamente el tipo de polvo. Las propiedades secundarias se derivan de las fundamentales y su determinación suele ser corriente en el control industrial. Entre ellas cabe citar la densidad, distinguiendo entre densidad aparente y densidad de polvo vibrado; la velocidad de derrame, la superficie específica, la compresibilidad, la compactibilidad o consolidabilidad, la plasticidad y la capacidad de endurecimiento por trabajo (acritud). Industrias como las del cemento, los colorantes o la minería, se interesan igualmente por estas propiedades. LOS TRATAMIENTOS DE LOS POLVOS La manipulación de los polvos, una vez obtenidos éstos, está encamina124

Pulvimetalurgia

da a facilitar las etapas de compactación y de la sinterización y a mejorar las propiedades del componente acabado. No hay que olvidar que los polvos tienen una naturaleza metálica y que es fácil que reaccionen con el medio ambiente a través de su superficie. Por otra parte es preciso tener en cuenta que debido a la viscosidad de la masa pulverulenta, ésta no cumple el principio de Pascal propio de los fluidos. Debido a la gran afinidad metal-oxígeno, al trabajar con polvos metálicos es preciso tomar una serie de precauciones destinadas a evitar la oxidación, como son por ejemplo, el embalaje en recipientes herméticos, cerrados al vacío o con gas inerte; el almacenaje en locales climatizados con humedad controlada, etc. Los polvos, antes de compactarlos, se tratan química, mecánica o térmicamente, según los casos, en las operaciones de purificación, recubrimiento, densificado, mezclado y recocido. Figura 94. Distribución de densidades en una sección vertical de una probeta de  polvo compa ctado mediant e la aplicación de una presión  por la parte superior.

El principal elemento añadido en la mezcla de polvos es el lubricante, cuya finalidad es incrementar la fluidez del sistema para que la densidad del componente acabado sea elevada y homogénea. Pues, añadiendo lubricante se reduce la fricción entre las paredes de la matriz y el punzón, entre las partículas y las paredes, entre las partículas durante la deformación y entre el compacto y las paredes de la matriz. Las masas de polvos metálicos tienen cierta viscosidad. En la figura 94 se aprecia la distribución de densidades de una masa de p olvo de hierro con 125

Conformación metálica

1 % de estearato de cinc, que actúa como lubricante. Se aprecia ausencia de fluidez total en la masa de polvos en la compactación. La operación de mezcla se lleva a término con mezcladores en forma de doble cono o de V. Los tiempos de mezclado suelen ser del orden de una hora para los polvos de hierro y estearato y del orden de un día para la mezcla del carburo de tungsteno con cobalto, parafina y acetona. Si la mezcla se realiza en fase líquida, se separa el disolvente por volatización o mediante separadores que proyectan la mezcla en una especie de embudo invertido y por diferencias de densidad separan el disolvente. COMPACTACIÓN La compactación es una etapa de la pulvimetalurgia que tiene por objeto dar forma y consistencia a la masa de polvo para su manipulación, con cuidado, desde su expulsión por la matriz hasta el paso por el horno de sinterización. En esencia consiste en aplicar una presión suficiente a la masa de polvo (previamente tratada según aconsejen la naturaleza de la misma y las propiedades a conseguir) colocada en una matriz que es el negativo de la forma acabada (Figura 95). Figura 95. Etapas del   pr oce dimiento de la compactación de polvos metálicos: 1, llenado de la matriz; 2, compresión; 3, expulsión de la pieza en verde.

 Aplicando una presión se disminuye la porosidad y al mismo tiempo se aumenta la adherencia entre las partículas y el número de puntos de contacto. En el prensado, las partículas se aplanan más o menos, según sea su blandura, en los puntos en que se forma el contacto y tienden a unirse en esas regiones por soldadura fría. En una masa suelta formada por polvo, la soldadura puede ocurrir en los puntos de contacto a medida que se eleva la temperatura. También en casi todos los casos la mayoría de las cavidades o poros se unen entre sí por canales, a través de los cuales pueden pasar los gases. Según el tipo de polvo utilizado, varía la presión a aplicar. Por este 126

Pulvimetalurgia

motivo es necesario saber la compresibilidad de una masa de polvo (Figura 96). Es decir, la densidad adquirida al aplicar cierta presión. TEORÍA DE LA COMPACTACIÓN La cohesión de polvos metálicos en verde se puede considerar como una verdadera soldadura en frío de los puntos de contacto de dos polvos debido: 1) a la rotura de la película gaseosa que envuelve la partícula de polvo, 2) al ensamblaje metálico causado por (a irregularidad de la superficie de los polvos, 3) a los calentamientos locales provocados por la presión, que se pueden traducir en verdaderas soldaduras en caliente y 4) al soldeo en frío, debido a la captura de las valencias superficiales libres y a las fuerzas de Van der Waals, lo cual constituye la adherencia. Figura 96. Curva de comprensibilidad de distintos tipos de polvos.

SINTERIZACIÓN La masa de polvo metálico, que se ha compactado mediante presión, resulta frágil debido al débil enlace entre las partículas. Para remediarlo se recurre a la sinterización, que consiste en calentar la masa de polvo a temperatura inferior a su punto de fusión (temperatura de sinterizado, T5K,=2/3 a 4/5 de la temperatura de fusión, T f K) durante el tiempo suficiente para que las partículas se suelden y el componente resultante, muchas veces poroso, adquiera resistencia mecánica. Termodinámicamente es lógico que el sistema evolucione hacia un 127

Conformación metálica

sistema compacto, ya que la masa de polvo, debido a la gran cantidad de intercaras, tiene exceso de energía libre, la cual tenderá a eliminarse cuando las condiciones lo permitan. Estas condiciones se presentan precisamente en el proceso de sinterización. Por otra parte, desde el punto de vista cinético, la movilidad atómica en estado sólido es función de la temperatura. Por lo tanto, para que las partículas de polvo puestas en contacto se sintericen es necesario que los átomos estén animados de cierta movilidad, lo que se consigue aumentando la temperatura del sistema, produciéndose así más zonas de contacto. Además, si la masa de polvos está formada por distintos elementos químicos, tiene lugar fenómenos de aleación al propio tiempo que se produce la unión de las partículas. El proceso de sinterización consigue aumentar eficazmente el débil enlace interparticular, y reduce el exceso de energía libre existente en la masa de polvo. Se define como el tratamiento térmico de partículas individuales o de un cuerpo poroso, con o sin aplicación de presión externa, con el cual las propiedades del sistema evolucionan hacia las del sistema sin porosidad. Figura 97. Mecanismos de la difusión en la sinterización.

Durante la sinterización ocurren: a) cambios químicos, b) cambios dimensionales, c) se rebajan las tensiones internas, d) cambios de fase y e) se alean. En el proceso de sinterización, aunque normalmente se encuentran solapadas, se pueden distinguir tres fases: 1. Crecimiento de puentes de enlace. 2. Densificación y crecimiento de grano. 3. Esferoidización de los poros. 128

Pulvimetalurgia

El crecimiento de los puentes de enlaces, debido a las tensiones y exceso de vacantes, se desarrolla según una ley exponencial. Se produce considerable reducción en la actividad superficial. Cuando la relación x/c (figura 97) sobrepasa un cierto valor, las partículas independientes pierden su identidad. Se forma una red coherente de poros y continúa el crecimiento de granos. Es la fase donde tiene lugar mayor contracción. En la figura 98 se ha esquematizado un horno continuo utilizado en la sinterización y en la figura 99 el comportamiento del polvo de hierro y de grafito en la primera etapa de este procedimiento. Figura 98. Horno utilizado  para la sinterización.

129

Conformación metálica

CALIBRADO El calibrado consiste en aplicar una presión a la pieza sinterizada mediante una matriz de forma idéntica a la empleada en la compactación aunque de dimensiones más precisas. Esta operación normalmente se realiza a temperatura ambiente, lubricando las paredes de la matriz con aceite grafitizado o disulfuro de molibdeno. La presión corrientemente empleada es superior a la de compactación. Figura 99. Comportamiento del hierro y del grafito en la sinterización.

ACABADO El pavonado es una operación de protección que tiene por objeto producir la oxidación superficial del componente metálico por calentamiento en atmósfera oxidante. El pavonado produce un recubrimiento de magnetita, óxido ferrosoférrico de color negro, que forma una capa impermeable y adherente al metal base, con un coeficiente de dilatación muy parecido al del acero. Se realiza el pavonado sumergiendo el componente que hay que proteger en baños alcalinos oxidantes, en vapor de agua sobrecalentado o en anhídrido carbónico. El primer procedimiento no se puede aplicar en piezas pulvimetalúrgicas, ya que se introducen sales en los poros que luego exudan. El procedimiento más corriente para pavonar piezas pulvimetalúrgicas consiste en inyectar vapor de agua sobrecalentado (550 °C) en un tanque que contenga las piezas que se quiere proteger. Las reacciones que tienen lugar comienzan con la formación del óxido de hierro (III).  Al aumentar la concentración en hidrógeno, el óxido rojo se convierte en óxido negro

INFILTRACIÓN La infiltración consiste en la adición de una pastilla de aleación, relativa130

Pulvimetalurgia

mente fácil de fundir, a un componente poroso sinterizado. El fenómeno de la capilaridad actúa introduciendo la aleación líquida en los intersticios de la aleación porosa. El método se emplea para fabricar algunas pseudoaleaciones como W–Cu y W–Ag, así como para mejorar algunas propiedades mecánicas, como ocurre en el caso del cobre infiltrado en el acero. En la fabricación pulvimetalúrgica de piezas de acero al cobre las ventajas de la infiltración con respecto a la mezcla, compactación y sinterización son primordialmente las siguientes: 1) Aumento de la resistencia mecánica, de la dureza, la resiliencia y la fatiga. 2) Tiende a igualar las diferencias de densidad que existen en el interior de la pieza sinterizada. 3) Hay un aumento de la densidad sin modificar el tamaño del componente. En el caso de acero, por las técnicas pulvimetalúrgicas corrientes es difícil densificar a 7,29 g/cm 3 objetivo que se consigue normalmente con la infiltración del cobre en el acero. 4) Se elimina la porosidad que dificulta las operacio nes de acabado, como los recubrimientos electrolíticos, por ejemplo. 5) Hay una variación selectiva de las propiedades, pues es posible infiltrar sólo en las partes donde se necesita mayor densidad. La limitación más importante de la técnica de la infiltración la constituye el encarecimiento del proceso pulvimetalúrgico, que necesita temperatura más elevada que el sinterizado normal y en algunas ocasiones, mayor número de etapas. En cuanto al lingote infiltrante se prepara normalmente aglomerando mezclas de polvos como si se tratara de un componente pulvimetalúrgico. CARBUROS CEMENTADOS, CARBUROS SINTERIZADOS O METAL DURO Los carburos cementados, aleaciones conocidas también como metal duro, son productos pulvimetalúrgicos obtenidos a partir de polvos finamente divididos de partículas duras de carburos de metales refractarios  –ordinariamente tungsteno y menos corrientemente titanio, tántalo, niobio, cromo, molibdeno y vanadio-sinterizados con uno o más del grupo del hierro –hierro, cobalto o níquel–, que constituyen el "cemento" y forman una aleación de alta dureza, elevada resistencia a la compresión y al desgaste y resiliencia. Las propiedades del metal duro se pueden modificar variando el porcentaje de cemento, la composición del cemento y de las partículas duras y el tamaño de las partículas duras. APLICACIÓN DE LA COMPATACIÓN ISOSTÁTICA EN LA PULVIMETALURGIA El método convencional utilizado en pulvimetalurgia para compactar aceros conduce a la obtención de un material poroso, por lo que las piezas manufacturadas de este modo tienen unas características mecánicas limitadas y se utilizan únicamente para determnainadas aplicaciones. Estos 131

Conformación metálica

condicionamientos limitan enormemente el campo de aplicación de la técnica de los polvos para los aceros rápidos. Para conseguir un material totalmente compacto sería necesario repetir el proceso de compactación y sinterización varias veces hasta conseguir un cuerpo totalmente denso. Esta técnica resultaría evidentemente antieconómica, por lo que las empresas manufacturadoras de acero rápido por pulvimetalurgia están desarrollando una serie de nuevos procedimientos encaminados a conseguir la mejor calidad a un precio razonable. Fi g ura 100. Procedimiento  ASEA-STORA fiara la obtención pulvimetalúrgica del  acero rápido, utilizando CIP y  HIP.

MÉTODO ASEA STORA Este método parte de polvos atomizados. La compactación se efectúa en cápsulas mediante la aplicación de una presión isostática de 4 Tm/cm 2 en frío. Los polvos se calientan en hornos de inducción a 1000°C y se vuelven a prensar isostáticamente en caliente a 1 Tm/cm 2 y 1000°C. El esquema de este proceso está representado en la figura 100. De esta forma se produce un lingote sinterizado totalmente compacto. Se obtiene por este procedimiento una microestructura fina y uniforme que confiere al acero una serie de ventajas que se traducen en una aumento de la vida media de la herramienta. 132