METALURGÍA ADAPTIVA
-Se le entregan las propiedades a los metales que determinan su utilidad posterior en la forma adecuada.
– En general modifican las propiedades físicas y mecánicas y raramente las químicas.
Los procesos adaptativos comienzan con dos posibilidades:
METALURGIA DE POLVOS
(usando materia prima en polvo, estado sólido).
(En arena centrifugada, cera perdida, molde permanente, moldeo en cascara, moldeo a presión).
LLEVAR EL MATERIAL A FUSION
(estado líquido) es posible obtener LINGOTES que son conformados plásticamente (forja, laminado, trefilado, extrusión, embutido, cizallado, estañado.) o FUNDICION DE PIEZAS, metal liquido en moldes.
Estos productos semielaborados puede ser procesados posteriormente por maquinas en talleres mecánicos y pueden recibir un “tratamiento térmico” o un “recubrimiento “, o dos o más piezas pueden ser unidad por soldadura.
OPERACIONES UNITARIAS EN EL PROCESAMIENTO DE METALES
Fusión;
Vaciado o colado
Solidificación
Unión o soldadura
Recubrimientos (galvanizado, estañado, etc) ;
Tratamientos térmicos (temple, revenido, envejecimiento, recocido, normalizado, cementación, nitruración) ;
Compactación
Sinterización ;
Forja, estampado, trefilación, extrusion, laminación, doblado, corte por cizalle, arranque de viruta (en torno, fresa, cepillo, perforado, etc).
El saber elegir el metal justo y colocarlo en el sitio justo con las mejores condiciones de costo y servicio es otra rama de la ingeniería en metalurgia, llamada a veces Metalurgia de la aplicación.
SOLIDOS CRISTALINOS
Una estructura cristalina se puede considerar como un arreglo tridimensional de puntos en el espacio, donde cada punto de red tiene idénticos alrededores, asociados a estos hay un solo átomo, o idénticos grupos de átomos. Hay solo 14 modos diferentes de arreglar puntos de red en el espacio de tal forma que cada punto tenga idénticos alrededores, estas se conocen como “redes de Bravais”, son descritas por una celdilla unitaria definida por vectores de traslación de red (3 vectores definen el sistema cristalino.)
Las 14 redes de bravais pueden ser definidas solo por 7 sistemas cristalinos diferentes.
-TRICLINICO; MONOCLINICO ; ORTORROMBICO ; TETRAGONAL ; CUBICO ; HEXAGONAL ;-ROMBOÉDRICO.
Enlace metálico:
Tipo de enlace atómico primario que se presenta en los metales sólidos, los átomos se encuentras empaquetados relativamente muy juntos en una estructura cristalina. Los electrones de valencia no están, por tanto, asociados férreamente a núcleo particular alguno y así, es posible que se extiendan entre los átomos en forma de a nube electrónica de carga de baja densidad. Los metales solidos son visualizados como constituidos por núcleos de iones positivos, y electrones de valencia dispersados en forma de una nube electrónica que cubre una gran extensión de espacio.
Soluciones sólidas:
Adición de un metal a otro con el fin de mejorar o cambiar sus propiedades. El latón, al cu se le agrega zn para formar una solución solida sustituciones en la cual el cu(en mayor cantidad), se le denomina como el solvente, y el zn (menor cantidad) es el soluto. Las soluciones solidas de los metales se forman mas fácilmente cuando los átomos del solvente y soluto tienen dimensiones y estructuras electrónicas semejantes. Cuando en una solución solida un átomo de dimensiones pequeñas se ubica en los intersticios que dejan en el reticulado de átomos de mayor tamaño se denomina como solución solida intersticial.
Defectos cristalinos
0 :
DEFECTOS PUNTUALES
(vacancia, intersticial, de vacancia e intersticial, impureza sustitucional, impureza intersticial) : Involucra la ausencia de un átomo centro del metal, tales defectos pueden ser consecuencia de un empaquetamiento imperfecto durante la cristalización original o pueden resultar de vibraciones térmicas de los átomos a temperaturas elevadas. (DEFECTOS DE SCHOTTKY, DEFECTOS INTERSTICIALES, DEFECTOS DE FREANKEL).
1:
DEFECTOS LINEALES
(Dislocación de borde, helicoidal y mixta): Es una dislocación del borde.
-dislocación helicoidal o de tornillo: consiste en un desplazamiento de la mital del crsital de tal forma que se produce una rampla.
2:
DEFECTOS DE SUPERFICIE
(borde de grano, borde de macla): pueden extenderse en dos dimensiones, como una frontera (la más obvia es la superficie externa).
3:
DEFECTOS DE VOLUMENES
(huecos, porosidades inclusión): inclusiones de material extraño, restos de escoria atrapadas por el metal, o huecos o poros producidos por burbujas de gas que no pueden escapar a la superficie durante la solidificación.
TRATAMIENTOS TERMICOS
Un tratamiento térmico queda definido por su ciclo térmico y no por las propiedades que se logran con él. Para cada caso particular lo que hay que fijar es en la temperatura de calentamiento, el tiempo de permanencia a dicha temperatura y la velocidad de enfriamiento.
Los tratamientos térmicos más usados en la industria son:
Recocido, Normalizado, Temple, Revenido, Cementación (sólida, líquida, gaseosa), y Envejecimiento Artificial
Para el estudio, de los tratamientos de los aceros es conveniente hacer uso del diagrama fierro-carbono.
Estos aceros se pueden clasificar como:
Eutectoides
: Aceros con cantidades iguales a 0,78% de carbono, estos se transforman totalmente en Perlita (lamina alternada de cementita y ferrita).
Hipoeutectoides
Aceros con cantidades menores a 0,78% de carbono, estos contiene Ferrita primaria y Perlita.
Hipereutectoides
Aceros con cantidades mayores a 0,78% de carbono, estos forman primero Cementita y luego Perlita.
Al realizarles a estos un estudio, al verse con mayor cantidad de Ferrita corresponde a menor% de carbono, y a mayor presencia de Cementira, mayor % de carbono.
Tratamientos Térmicos:
Recocido
El calentamiento se hace a una temperatura ligeramente superior a A3 y luego se enfría lentamente (por lo general dentro del horno). El principal objetivo es ablandar el acero, deseándose a veces también regenerar su estructura o eliminar tensiones internas.
Normalizado:
Se emplea en piezas fundidas, forjadas o conformadas mecánicamente. Su objetivo es afinar la estructura y eliminar las tensiones que suelen aparecer en la solidificación u otras operaciones posteriores. Los aceros se calientan a una temperatura superior a la crítica A3 o A cm y luego se dejan enfriar al aire tranquilo.
Temple:
Consiste en austenizar un acero y luego enfriarlo en forma más o menos rápida en un medio adecuado como ser (agua, aceite o sales fundidas) Tiene por objeto endurecer y aumentar la resistencia del acero.
.
Revenido
: Es el tratamiento térmico que viene luego de todo temple. El objetivo es modificar y no eliminar los efectos del temple. El revenido consiste en calentar el acero, previamente templado, a temperaturas inferiores a la crítica A1 (723ºC), mantenerlo un tiempo adecuado y luego enfriarlo a temperatura ambiente.El microconstituyente típico del revenido es la Martensita revenida.
Propiedades mecánicas de las estructuras (Relacionadas con el % de carbono y microconstituyentes)
Ferrita
: Es el constituyente más blando, dúctil y maleable de los aceros. El valor medio de sus propiedades es la resistencia de tracción = 28 Kg/mm2, Alargamiento =35% y dureza =90
Cementita:
Es el constituyente más duro y frágil de los aceros. Las propiedades más conocidas son salvo su gran dureza= 650 y resistencia de tracción = 228 Kg/mm2.
Perlita
: Es un constituyente resistente y tenaz y sus propiedades mecánicas dependen grandemente de la finura de sus laminillas:
La estructura más dura de los aceros es la Martensita, y depende fuertemente de su contenido en carbono.
Las estructuras de recocido son mucho más blandas tanto más si se realiza por períodos muy largos de tiempo y a temperaturas cercanas a la crítica.
Si el tratamiento de revenido se efectúa por tiempos cortos y a temperaturas más bajas se pueden obtener resistencias comprendidas entre la de la martensita y la de las estructuras de ferrita y carburos.
-Tratamientos térmicos de aleaciones de aluminio
Como un ejemplo de un tratamiento térmico distinto al de los aceros, veamos la aleación Aluminio con 4% cobre, que es un tipo de «duraluminio».
Entonces el tratamiento térmico del duraluminio consiste en un tratamiento de solución en la región α de una sola fase, seguido de un temple, para luego recalentar a una temperatura adecuada para producir el endurecimiento por precipitación. Hay veces que es necesario deformar la pieza como ser un remache, en este caso se guardan los remaches, después del temple en un refrigerador para mantenerlos blandos y así poder colocarlos sin que se agrieten, el posterior endurecimiento se produce en forma natural a temperatura ambiente durante el tiempo que se demoran en armar, por ejemplo, el resto del avión.
Cementación y Nitruración:
Estos tratamientos térmicos pertenecen a un grupo especial también llamados «termoquímicos» pues los calentamientos se realizan en atmósferas carburizantes o nitrurantes respectivamente, que permiten cambiar la composición superficial de los aceros. Estos tratamientos se efectúan para piezas que requieran gran dureza superficial para resistencia al desgaste conservando el centro blando para mantener una buena tenacidad de la pieza. Un ejemplo típico son los engranajes.
La cementación consiste entonces en calentar la pieza de acero de bajo carbono (0.15-0.2%C) a 900 – 950ºC en atmósfera carburizante formada por CO/CO2 o CH4/H2 que produce carbono en la superficie y que penetra por difusión en el acero. Una vez lograda la penetración deseada 1 o más mm se procede a templar la pieza con la cual obtendremos una martensita dura de 0.8% C o más en la superficie y el centro más blando por tener mucho menos carbono.
La nitruración se logra colocando la pieza en una atmósfera de NH3/H2 (amoníaco) a 500-600ºC, o sea, bajo la temperatura crítica y una vez ya efectuado el tratamiento de endurecimiento por temple martensítico. En este caso penetra por difusión el nitrógeno que precipita formando nitruros finos. Los nitruros más efectivos son los del cromo y aluminio, siendo entonces imprescindible el uso de aceros aleados para aceros de nitruración. Tiene la gran ventaja que no requiere tratamiento térmico posterior a la nitruración.
Conformado plástico de metales
Cualquier proceso que permite cambiar la forma de la masa de un metal en estado sólido (al contrario de la fundición)
Encaja en este concepto
Objetivos de estos procesos:
Obtener el metal con una forma deseada y mejorar las propiedades de este a través de la alteración de la distribución de sus microconstituyentes.
Procesos de conformados primarios:
Son los procesos de conformado plástico cuyo objetivo es reducir lingotes a formas de planchón, tocho, barra o plancha.
Estos procesos se clasifican en deformación en caliente y en frío.
Una de las ventajas del proceso en caliente es que el trabajo requerido para manejar el metal es mucho menor (menor resistencia). Aunque el trabajo en frio permite obtener menores posibilidades de fractura en el trabajo.
En general, los metales requieren de temperaturas altas para para obtener rápidas recristalizaciones, aunque existen ejemplos como el plomo y el estaño los cuales ocurren a temperaturas ambientes. Cabe destacar que el rango de trabajo caliente en acero es de 1000°C, lo que corresponde a una temperatura de trabajo en frío para el tungsteno (o wolframio).
Trabajo en caliente:
En general, es para la primera etapa de elaboración de los metales. Como ventaja, no solo la energía necesaria para trabajar con ellos es menor, sino que también la difusión es rápida y facilita la homogeneización química de las estructuras de colada. Las sopladoras y rechupes internos se eliminan por soldadura. En general, todos estos trabajos hacen que los metales trabajados sean más dúctiles y tenaces.
Como desventaja, al presentar los metales en temperaturas altas con el medio ambiente puede suceder una oxidación obteniendo perdidas del metal.
El límite de la temperatura de trabajo en caliente está determinado por la temperatura en donde se produce el punto de fusión o se hace intolerable la oxidación. Generalmente se utiliza un punto bajo 100°C del punto de fusión.
Como última etapa de trabajo, la cual se realiza a una temperatura inferior de trabajo en caliente para que el crecimiento de grano durante el enfriamiento sea despreciable. Para asegurarse de que el grano del producto terminado será fino se suele dar una elevada deformación en esta última operación.
Trabajo en frío:
Anteriormente se nombró que el trabajo en frío acarrea aumento en la resistencia mecánica y una disminución en la ductilidad. Una de las precauciones necesarias es no trabajar en frío excesivamente ya que el metal podría romperse antes de alcanzar la forma deseada. Es por ello que el trabajo en frío suele llevar varias etapas, incluyendo recocidos entremedio de ellas para ablandar el metal deformado en frío y restauren la ductilidad. Esta sucesión es llamada ciclo de trabajo.
Los productos del trabajo en frío, tales como el fleje y el alambre, se suelen producir con distintos grados de dureza (tempers), que dependen de la magnitud de la reducción en frío posterior al último recocido. Estas condiciones de los productos suelen describirse como blando o recocido (annealed temper, soft temper), cuarto duro (1/4 hard), medio duro (1/2 hard), tres cuartos duro (3/4 hard), duro (full-hard) y dureza de resorte (spring temper). Cada grado de dureza (temper) indica un tanto por ciento diferente de reducción en frío después del tratamiento de recocido.
Temple:
en inglés, quench (apagar, extinguir) se emplea para «enfriar bruscamente», y por extensión, en el caso del acero, para endurecer (harden) por enfriamiento brusco.
ALGUNAS OPERACIONES DE CONFORMADO
Estas se pueden clasificar según los esfuerzos aplicados sobre el material, como sigue:
Procesos de compresión directa: Forja, laminado
Procesos de composición indirecta:
Trefilado, extrusión, embutido
Procesos tipo tracción:
Estirado
A continuación se definen estos procesos:
-Forjado:
En una operación que siempre se realiza en caliente. Los equipos empleados son desde el martillo del herrero pasando por el martinete mecánico e hidráulico hasta las prensas.
Un problema en la forja abierta o libre es el efecto “barril” que consiste en un ensanchamiento mayor de la pieza en el centro que en la parte adyacente a la superficie de los platos de forja, debido a que el roce interfiere con el libre flujo del material en esa superficie.
-Extrusión:
Operación que se realiza calentando un lingote a una temperatura adecuada, colocándola en un recipiente y luego forzándolo a través de un orificio por la aplicación de presión de un émbolo movido hidraúlicamente para producir una barra o tubo de perfiles. En nuestro país, MADECO fabrica los tubos de cobre y los perfiles de aluminio para marcos de ventanas y otros usos con esta operación.
-Laminación:
Es el método más barato y más eficiente para reducir el área transversal de una pieza de material de modo que el espesor final sea uniforme a lo largo de todo el producto. Más que área es prácticamente sólo el espesor el que se reduce, pues el ensanchamiento (aprox. 5%) está restringido por la continuidad entre material de la pieza que ya salió de entre los rodillos y el que aún no entra.
-Embutido Profundo:
Consiste en formar un vaso o copa a partir de una lámina circular que se fuerza por una abertura por medio de un punzón cuyo diámetro es menor que la abertura de la matriz. En la forma original del disco metálico, el círculo de radio OY está en contacto con la cara inferior del punzón durante el embutido y el metal en esta área estará tensionado durante el proceso. Así pues, en el vaso acabado la longitud del arco YY’ es la misma que en la forma original.
La profundidad del vaso posible de hacer en una sola operación depende de la resistencia a la tracción y espesor del metal. La presión del sujetador debe mantenerse al mínimo necesario para evitar la ondulación y la fricción debe reducirse al mínimo utilizando matrices y punzones con las superficies lo más suave posible y utilizando la lubricación adecuada.
SOLIDIFICACION
Las sustancias se pueden clasificar como amorfas o cristalinas.
En el estado cristalino los átomos están dispuestos en una estructura atómica regular (orden geométrico).
El estado amorfo no posee esta característica
Como los átomos están enlazados con sus vecinos el sólido es una sustancia más o menos rígida que se resiste a cambiar su volumen y su forma. Pero no todas las sustancias que son más o menos rígidas están sólidas.
Debemos poder distinguir si los átomos están o no ordenados en el espacio, esto es posible usando la técnica de difracción de rayos-X.
MODELO ATOMICO DE LOS ESTADOS DE LA MATERIA
Cuando un metal puro y líquido se enfría éste solidifica formando un sólido cristalino y lo hace a una temperatura, más o menos fija, llamada punto de solidificación.
En el caso de aleaciones (acero, bronce, etc.) o metales impuros la solidificación se produce en un rango de temperatura y, por consiguiente, no es posible hablar de un punto fijo de fusión o solidificación.
Al extraer el calor de una porción de metal líquido empieza la solidificación en aquellas regiones que se enfrían más rápido y que faciliten el acomodamiento de átomos, así se forman minúsculos cristales que comienzan a formarse independientemente en “centros de cristalización”, o núcleos. El núcleo es una pequeñísima unidad de la estructura cristalina del sólido del metal respectivo (fcc en el Cu y Al, etc.) de la cual crece el cristal por acomodamiento de más átomos. El cristal se desarrolla por adición de átomos, que siguiendo la estructura, que rápidamente comienza a tomar un tamaño visible en lo que se llama una “dendrita”, semejante a los cristalitos de hielo.
Un cristal metálico crece de esta forma debido a que las direcciones preferenciales de crecimiento son las aristas de los cubos en los metales que cristalizan en el sistema cúbico. Esto se cumple estrictamente siempre que el calor también se disipe en esa dirección. Luego la dirección de crecimiento preferencial es consecuencia de la coincidencia de dos factores:
- Tendencia de las partículas a crecer en una dirección cristalográfica definida.
- Efecto del flujo calórico en la orientación o ubicación en el espacio de los cristales metálicos.
Si el metal considerado es puro no es posible detectar el crecimiento dendrítico una vez que la solidificación se ha completado, puesto que todos los átomos son idénticos. Pero en las aleaciones, el soluto tiende a concentrarse en la porción fundida del metal, de manera que está presente en aquella parte del metal que solidifica el último. Es posible detectarlo por examen metalográfico en el microscopio.
La rapidez de enfriamiento del líquido cuando llega a su punto de solidificación afecta al número de centros de nucleación. Enfriamiento lento permite que un número pequeño de núcleos crezcan rápidamente y se termine con pocos granos y grandes. El enfriamiento rápido permite obtener un grano más fino. La nucleación también puede afectarse artificialmente introduciendo agentes nucleantes al baño, Al2O3 en el acero, lluvia artificial vapor à líquido.
Si todo el líquido hubiera solidificado a partir de un solo núcleo todos los átomos estarían ordenados según una celda cristalina a través de todo el material, esto recibe el nombre de MONOCRISTAL. Es evidente entonces que los materiales producidos industrialmente siempre son POLICRISTALINOS.
ESTRUCTURA DE LINGOTES
En un lingote industrial el tamaño del cristal o grano puede variar considerablemente de la superficie al centro. Esto se debe a la variación en el gradiente de temperatura al solidificarse el lingote y transferir el calor del metal al molde.
DEFECTOS DE SOLIDIFICIACION
Cuando un metal solidifica, su volumen disminuye y por consiguiente, pueden producirse cavidades en la pieza sólida cuya distribución depende de la forma del lingote y modo de enfriarse. Uno de los defectos más comunes es el RECHUPE. El rechupe es un defecto que no permite aprovechar la totalidad del lingote, da lugar a pliegues que no se sueldan durante la laminación, debiendo descartarse aquel pedazo.
Otro defecto común son las porosidades o sopladuras producidas por atrapado de gases en el sólido.
La porosidad también se puede formar en los aceros que no han sido completamente desoxidados ya que el carbono disuelto reacciona con el óxido desprendiendo gas monóxido de carbono.
FeO + C à Fe + CO (gas)
Este problema se puede minimizar colando a la menor temperatura posible.
Si + O (gas) à SiO2 (sólido)
La fusión en vacío también es un método que resulta de utilidad para atacar este problema.
En la solidificación de aleaciones existe la tendencia del sólido a tener una composición distinta a la del líquido que lo rodea, así las impurezas disueltas también tienden a permanecer en aquella porción de metal que solidifica al final. Ello acarrea que la pieza no tiene una distribución homogénea de la composición y por consiguiente sus propiedades mecánicas no son iguales en todos los puntos. Este fenómeno se denomina SEGREGACIÓN. Una segregación mayor tiene lugar también debido a la diferencia de densidad del sólido y el líquido.
SOLIDIFICACIÓN EN LINGOTE DE ACERO TIPO EFERVESCENTE
Un gran tonelaje de acero es dedicado a la fabricación de hojalata y alambre que se caracteriza por su bajo contenido de carbono (menos 0.1% C).
Para lograr este porcentaje tan bajo de carbono se trabaja con un baño de acero algo oxidado. Cuando el acero comienza a solidificar en la lingotera se forma primeramente una capa de metal bastante puro contiguo a la pared del molde. Esto causa que la concentración de oxígeno en el líquido restante aumente de manera que la reacción:
FeO + C à Fe + CO (gas)
Tiene mayor violencia con la evolución del gas CO que tiende a barrer con las impurezas acumuladas en la interfase sólido líquido de los cristales en formación. Así, se produce una “piel” de acero muy “limpia” y su espesor dependerá en gran parte del grado de desoxidación inicial.
Luego se cubre el lingote con una chapa de acero, la cual se enfría con un chorro de agua para que solidifique la parte superior del lingote. Las burbujas tienen la virtud de contrarrestar la formación del rechupe.
La característica principal del acero efervescente es una superficie exterior relativamente “limpia”, lo que da una buena superficie al producto terminado ya que incluso el alambre sigue con la “piel” en el exterior y la segregación confinada al núcleo.
SOLIDIFICACIÓN EN LINGOTE DE ACERO TIPO EFERVESCENTE
Un gran tonelaje de acero es dedicado a la fabricación de hojalata y alambre que se caracteriza por su bajo contenido de carbono (menos 0.1% C).
Para lograr este porcentaje tan bajo de carbono se trabaja con un baño de acero algo oxidado. Cuando el acero comienza a solidificar en la lingotera se forma primeramente una capa de metal bastante puro contiguo a la pared del molde. Esto causa que la concentración de oxígeno en el líquido restante aumente de manera que la reacción:
FeO + C à Fe + CO (gas)
Tiene mayor violencia con la evolución del gas CO que tiende a barrer con las impurezas acumuladas en la interfase sólido líquido de los cristales en formación. Así, se produce una “piel” de acero muy “limpia” y su espesor dependerá en gran parte del grado de desoxidación inicial.
Luego se cubre el lingote con una chapa de acero, la cual se enfría con un chorro de agua para que solidifique la parte superior del lingote. Las burbujas tienen la virtud de contrarrestar la formación del rechupe.
La característica principal del acero efervescente es una superficie exterior relativamente “limpia”, lo que da una buena superficie al producto terminado ya que incluso el alambre sigue con la “piel” en el exterior y la segregación confinada al núcleo.