Materiales y Procesos Parte 1 PDF

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Resumen de materiales y procesos I de la carrera Diseño Industrial...

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METALES FERROSOS: (Aleaciones hierro carbono)

ALEACIONES: Unión homogénea de dos o más elementos, siendo al menos uno de ellos un metal. Las propiedades del comportamiento de los metales y aleaciones dependen de su composición, estructura y manejo térmico. Propiedades como la resistencia, la dureza, la ductilidad y tenacidad, resistencia al desgaste y rayaduras son influenciadas y modificadas por aleaciones y tratamientos térmicos. - El tratamiento térmico es el ejemplo más común para mejorar las propiedades de los metales, ya que modifica las microestructuras y produce una variedad de propiedades mecánicas que son importantes en la manufactura, como una mejor formabilidad y maquinabilidad. ESTRUCTURA CRISTALINA DE LOS METALES EN GENERAL: Tres configuraciones atómicas básicas, que de acuerdo a la forma en que los átomos se organizan, determinan las propiedades de un metal en particular:   

Cúbico centrado en el cuerpo (bcc) FERRITA. Cubico centrado en la cara (fcc) AUSTENITA. Hexagonal compacto (bcp) MARTENSITA.

Los cristales se forman cuando los metales ferrosos solidifican desde un estado fundido (líquido) y sus átomos se arreglan en configuraciones ordenadas (bcc, fcc, bcp). Éste arreglo cristalino está determinado por la rapidez a la cual el metal se enfría desde un estalo líquido a sólido. Establece si el material será frágil y tensionado o suave y dúctil.

ESTRUCTURA DE LAS ALEACIONES: 

Una aleación está compuesta de dos o más elementos químicos, donde por lo menos uno de ellos es un metal. Soluciones sólidas de una fase (usos comunes):

El soluto es el elemento menor que se agrega al solvente, que es el elemento mayor. Cuando durante la aleación se mantiene la estructura cristalina particular del solvente, la aleación se conoce como una solución de una fase sólida. 1. Soluciones sólidas substitucionales: Si el tamaño del átomo soluto es similar al del átomo solvente, los átomos del soluto pueden reemplazar a los átomos del solvente y formar una solución sólida substitucional. Ejemplo: Zinc + Cobre = Latón. Condición para formar soluciones substitucionales: Los dos metales deben tener estructuras cristalinas similares. 2. Soluciones sólidas intersticiales: Si el tamaño del átomo del soluto es mucho más pequeño que el del átomo del solvente, cada átomo de soluto puede ocupar una posición intersticial, formando una solución sólida intersticial. Ejemplo: Hierro + Carbono = Acero.

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Soluciones sólidas de dos fases (o bifásicos):

Cada fase es una parte homogénea de la masa total y tiene sus propias características y propiedades. Son más resistentes y menos dúctiles que las soluciones sólidas de una fase. Un ejemplo típico de un sistema bifásico en los metales ocurre cuando se agrega plomo al cobre en estado fundido; después que se solidifica la mezcla, la estructura consiste de dos fases.

DIAGRAMAS DE FASES: (Diagrama de equilibrio o constitucional) Muestra las relaciones entre la temperatura, la composición y las fases presentes en un sistema particular de aleación, bajo condiciones de equilibrio. El equilibrio significa que el estado de un sistema se mantiene constante a lo largo de un periodo indefinido de tiempo. Sirven para determinar los porcentajes y tipos de metales a alear, la calidad de éstos y a las temperaturas a las que se deben soldar dos piezas metálicas, la calidad, la duración, vida útil y propiedades mecánicas. La palabra constitucional indica las relaciones entre la estructura, la composición y la formación física de la aleación.

EL SISTEMA HIERRO-CARBONO: -

El hierro comercialmente puro contiene hasta 0,008% de carbono. Los aceros contienen hasta 2,11% de carbono. Los hierros fundidos o fundiciones contienen hasta 6,67% de carbono.

 Entre 0,03% y 1,76% con contenido de carbono = ACEROS = Blandos-Dúctiles  Entre 1,76% y 6,67% con contenido de carbono = FUNDICIONES = Duros-Frágiles, no son forjables y son manufacturados por colada.

COMPOSICIONES ALOTRÓPICAS DEL HIERRO: (Tipos de estructuras cristalinas) Tres estructuras más importantes de acuerdo al porcentaje de carbono y su temperatura de cristalización y otras características: Ferrita: -

Solución sólida de hierro cúbico centrado en el cuerpo BCC. Su solubilidad a la temperatura ambiente es tan pequeña que no llega a disolver ni un 0,008% de carbono. Se considera a la ferrita como hierro puro. La más blanca y dúctil de los aceros. Es magnética. Dureza, resistencia a la rotura, alargamiento.

Austenita: -

Solución sólida cúbica centrada en la cara FCC. Es el constituyente más denso. Su estructura monofásica es dúctil a temperaturas elevadas, posee una buena formabilidad. No presenta propiedades magnéticas. Dureza, resistencia, alargamiento.

Cementita: -

Cristalizada formando un prima ortorrómbico de gran tamaño. Es el constituyente más duro y frágil de los aceros. Posee el más alto contenido de carbono de 6,67% y 93,33% de hierro. Imposible forjar, laminar o realizar trabajos por deformación plástica, sólo se genera en fundición. Dureza.

Perlita Martensita -

Estructura distorcionada permite alta dureza y es magnetica.

Bainita Ledeburita: Constituye el grupo de las fundiciones.

FUNDICIONES FERROSAS: Hierro fundido se refiere a una familia de aleaciones ferrosas compuestas de hierro, carbono (desde 2,11% hasta aproximadamente 4,5%) y silicio (hasta aproximadamente 3,5%)

Características y propiedades comunes de los hierros ferrosos:       

Son más baratas que los aceros aleados especiales. Su fabricación es más sencilla ya que se hace en estado líquido. Se pueden realizar piezas de forma compleja de pequeño a gran tamaño. Se pueden realizar bajas series de producción de 1 a 1000 o más. Se trabaja a temperaturas más bajas que los aceros. Son altamente oxidables y más duras y frágiles que los aceros. No son forjables o laminables, pero sí altamente mecanizables.

FUNDICIÓN GRIS:

En ésta estructura, el grafito existe en forma de hojuelas, que tienen la capacidad de amortiguar vibraciones causadas por fricción interna, y capacidad de disipar energía del 2.5 al 4.5 % c. Cuando se le rompe, la trayectoria de la fractura ocurre a lo largo de las hojuelas de grafito, y tiene por lo tanto, una apariencia gris y de color del hollín. -

Ductilidad baja, débil a la tensión, resistente a la compresión.

Tipos de hierro fundido gris: ferríticos, perlíticos y martensíticos. Ejemplos: sartenes, ollas, block de motores, cuerpo y protectores de disco.

Hierro ductil -FUNDICIÓN NODULAR: -

El grafito está en forma nodular o esferoide. Algo dúctil y resistente a los choques. Se puede hacer ferrítico o perlítico mediante el tratamiento térmico. Ejemplos: autopartes, prensas de mano, herramientas de mano.

FUNDICIÓN BLANCA: -

Dura, quebradiza, magnética. Se rompe rápidamente al golpearla con un martillo y la fractura es de color plateado y blanco. Su estructura es muy dura, resistente al desgaste y frágil. Se utiliza en aplicaciones donde se necesita buena resistencia al desgaste Difícil de mecanizar.

FUNDICIÓN MALEABLE: -

La cementita se descompone en hierro y grafito. Su estructura es dúctil, posee resistencia mecánica y resistencia al choque. Ejemplo: fabricación de partes de maquinarias agrícolas, industrial y de transporte.

TRATAMIENTO TÉRMICO DE LAS FUNDICIONES: (mejora las propiedades) Consta de calentamiento y enfriamiento controlado de las aleaciones a diversas velocidades. Influye en las propiedades mecánicas, como la resistencia mecánica, dureza, ductilidad, tenacidad y resistencia al desgaste.

Austempering: Con este tratamiento térmico se obtienen piezas con una estructura bainítica, que sean duras pero no extremadamente frágiles. Ejemplos: engranajes, ejes. Propiedades: -

Piezas con dureza hasta 55 HRC.

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Reduce las tensiones internas. Buena ductilidad, considerando la dureza.

Proceso: 1. 2. 3. 4.

Calentamiento por encima de la temperatura crítica. Enfriamiento brusco en un baño de sales o plomo fundido. Mantenimiento de esa temperatura. Enfriamiento al aire.

CONFORMADO DE METALES EN ESTADO PLÁSTICO (FORJA): -

Las barras sólidas volumétricas son partes preformadas que se calientan por debajo del punto de fusión, haciéndolos fáciles de conformar en estado plástico. Elevada resistencia. Altos costos de maquinaria.

CONFORMADO DE METALES EN ESTADO SÓLIDOS: -

Limitado a placas, varillas, barras y tubos. Se efectúa por lo general a temperatura ambiente. Requieren mucha mano de obra. Procesos de doblado, estirado y arranque de viruta.

CONFORMADO DE METALES EN ESTADO LÍQUIDO (FUNDICIÓN): -

Los metales se funden por calor al llegar a su punto de fusión y se cuelan en estado líquido en un molde. Presenta problemas en su proceso, que genera una estructura porosa y con deformaciones. Es el proceso más eficiente disponible, especial para piezas huecas, complejas y en un solo paso de conformado y a bajo costo de maquinaria.

1. Vaciar metal fundido en un molde construido siguiendo la forma de la pieza a manufacturarse. 2. Dejar que se enfríe. 3. Extraer la pieza del molde.

Puntos importantes a tener en cuenta en operaciones de fundición:    

El flujo del metal fundido en la cavidad del molde. La solidificación y enfriamiento del metal en el molde. La influencia que tiene el tipo de material del molde sobre la pieza. El tipo de molde influye en la velocidad de enfriamiento del metal.

Solidificación de los metales: Influye en el tamaño, forma, uniformidad y composición química de los granos formados en toda la fundición, en sus propiedades mecánicas y físicas generales.

Efectos de las velocidades de enfriamiento: -

Velocidades bajas de enfriamiento o tiempos de solidificación local largos, dan como resultado estructuras dendríticas gruesas con grandes esparcimientos. A velocidades más rápidas de enfriamiento o tiempos de solidificación local cortos, la estructura es más fina con un menor esparcimiento entre brazos dendríticos. Para velocidades de enfriamiento aún más elevadas, las estructuras desarrolladas son amorfas.

Mientras más reducido sea el tamaño del grano, se incrementa la resistencia y la ductilidad de la aleación fundida, se reduce la microporosidad en la fundición y disminuye la tendencia de la pieza fundida a agrietarse durante la solidificación. La falta de uniformidad en el tamaño y en la distribución del grano da como resultado fundiciones con propiedades anisotrópicas.

Efectos de las contracciones: La contracción, que causa cambios dimensionales y agrietamiento, es el resultado de lo siguiente:   

Contracción del metal fundido al enfriarse antes de su solidificación. Contracción del metal durante el cambio de fase de líquido a sólido. Contracción del metal solidificado (la fundición) conforme su temperatura baja hasta la ambiental.

La mayor contracción ocurre durante el enfriamiento de la fundición.

Defectos en la solidificación: Grietas en caliente: Ocurren porque la fundición no puede contraerse libremente durante el enfriamiento, debido a restricciones en varias partes de los moldes y núcleos (huecos).

a. Proyecciones metálicas: Aletas, rebabas o proyecciones masivas como ondulaciones y superficies ásperas. b. Cavidades: Cavidades redondeadas o ásperas internas, incluyendo sopladuras, porosidad y cavidades de contracción. c. Discontinuidades: Grietas en caliente o en frío, puntos fríos. d. Superficie defectuosa: Pliegues, cicatrices, capas de arena adheridas. e. Fundición incompleta: Falta de llenado, volumen insuficiente de metal vaciado y fugas. f. Dimensiones o formas incorrectas: Inadecuada tolerancia de contracción, error en el montaje del modelo, contracción irregular, modelo deformado, fundición torcida. g. Inclusiones: Se forman durante la fusión, solidificación y moldeo.

TIPOS DE PROCESOS DE FUNDICIONES EXISTENTES: Moldes: Resultan moldes duros que se unen en una línea o plano medio de partición, siendo éste generalmente el plano de simetría de la pieza. Una caja de moldeo se divide en dos mitades, inferior y superior, donde una mitad se moldea en la caja inferior y la otra en la caja superior.

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Moldes desechables: Fabricados en tierra, arena, yeso, cerámica y materiales similares. Estos materiales son mezclados con aglutinantes o agentes de unión. Son refractarios, capaces de resistir las elevadas temperaturas de los metales fundidos. Moldes permanentes: Hechos de metal que conservan su resistencia a altas temperaturas. Se utilizan de manera repetida y están diseñados para que la pieza colada pueda ser retirada con facilidad. Poseen una velocidad de enfriamiento más elevada, lo que afecta la micro-estructura y el tamaño del grano en la fundición. Moldes compuestos: Fabricados de dos o más materiales distintos. Se utilizan en varios procesos de fundición para mejorar la resistencia del molde, controlar la velocidad de enfriamiento y optimizar la economía general del proceso.

FUNDICIÓN Y MOLDEO EN ARENA: (Modelo permanente y molde desechable) 1. Colocar un modelo con la forma de la pieza deseada en una caja de moldeo y cubrirlo con arena especial de moldeo para crear una impresión al retirar dicho modelo. 2. Incorporar un sistema de alimentación por donde ingresará el metal líquido. 3. Llenar la cavidad resultante de metal fundido. 4. Dejar que el metal se enfríe hasta que se solidifique. 5. Romper el molde de arena y retirar la fundición para cortarle los canales de alimentación.

Moldes y arenas de moldeo: Las operaciones de fundiciones ferrosas usan arena de sílice (SiO2), que es económica, resistente a altas temperaturas. Se mezcla con carbón de coque molido, que es liviano y poroso lo que permite el escape de gases del metal líquido, y otros elementos refractarios y aglutinantes. La arena con granos finos y redondos se puede prensar más y forma una superficie lisa en el molde transmitiendo buena calidad superficial de la pieza. Aumenta la resistencia del molde pero reduce la permeabilidad del molde (escape de gases).

Principales componentes de los moldes de arena y tierra:

1. El molde mismo, soportado por una caja de moldeo. La unión de los moldes de dos piezas, superior e inferior, forman la línea o plano de partición. 2. Copa de vaciado o basín, donde se vacía el metal fundido. 3. Bebedero, a través del cual el metal fundido fluye hacia abajo. 4. Sistema de alimentadores, que son canales que llevan el metal colado desde la mazarota a la cavidad del molde. 5. Mazarota, que suministran metal adicional a la fundición. Se contrae durante la solidificación. 6. Corazones o noyos, que son insertos hechos de arena. Se utilizan en el molde para formar orificios, hueco o cavidades internas de la pieza. También se utilizan en la parte exterior para formas características, como letras, diente o alas sin desmolde. 7. Respiraderos, para extraer los gases producidos cuando el metal fundido entre en contacto con la arena en el molde y en el corazón.

MODELOS Y SU TIPOLOGÍA: Los modelos se utilizan para moldear la mezcla de arena o tierra a la forma de la pieza a fundir. Pueden estar hechos de madera, plástico o metal. La selección del material del modelo depende del tamaño y forma de la fundición, la precisión dimensional, la cantidad de coladas y el proceso de moldeo.

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Modelo único o de una sola pieza: Se utilizan para formas simples y producción de bajo volumen. Normalmente se hacen de madera y son poco costosos. El plano de apoyo del modelo es una cara o plano de este. Modelos partidos o divididos en dos piezas: Cada parte forma una porción (mitad) de la cavidad para la fundición. Se pueden producir piezas fundidas con formas complejas. Para los modelos partidos de placa, se forman los modelos de dos piezas fijando cada mitad de uno o más modelos divididos a los lados opuestos de una placa.

 Modelo + Modelo falso: Cuando la pieza tiene cambio de planos en su geometría o no dispone de apoyo que lo haga auto-portante en el fondo de la caja de moldeo o en la placa de moldeo, éste deberá ser ayudado con un modelo falso que se colocará entre el modelo y la caja; y luego se retirará para moldear la segunda mitad.

 Modelos con noyos o corazones: Utilizados en piezas con orificios ciegos o pasantes, cavidades. Los noyos se colocan en la cavidad del molde antes de cerrarlo para la colada y son extraídos de la pieza terminada durante la limpieza y el procesamiento posterior rompiéndolos.

Deben tener resistencia, permeabilidad, capacidad de resistir al calor y colapsabilidad. El noyo se apoya mediante la huella que dejó el portada de noyo en la tierra que está colocada en el modelo. Para impedir que se muevan se pueden utilizar soportes para anclar el noyo en su sitio. La mayor parte se fabrica utilizando procesos de moldes en cáscara , no cocidos o de caja fría. Los corazones se forman en cajas de noyos, que pueden ser metálicas para luego cocinar el noyo en hornos y se utilizan de una manera muy similar a los modelos para formar los moldes de arena.

MODELO EN CÁSCARA O EN SHELL MOULDING: (Modelo permanente y molde desechable) Proceso: 1. Un modelo hecho de metal ferroso o de aluminio se fija a una placa y se calienta. 2. Luego es recubierto con un agente desmoldante siliconado. 3. Se sujeta a una caja o a una cámara que contiene arena fina mezclada con 2,5 a 4 de aglutinante de resina termoestable, que recubre las partículas de arena. 4. La caja se voltea o la mezcla de arena se sopla sobre el modelo, permitiendo que la arena recubra dicho modelo. 5. Todo el conjunto se coloca en un horno durante un periodo corto de tiempo para completar el curado de la resina. 6. El cascarón se endurece alrededor del modelo y es retirado de éste mediante bujes de eyección incorporados.

Ventajas y desventajas: -

Los moldes en cascarón por lo general se vacían con la línea de partición horizontal. Las paredes del molde son lisas, lo que genera poca resistencia al flujo del metal fundido, produciendo fundiciones con esquinas más agudas, secciones más delgadas y proyecciones más pequeñas. Se pueden producir varias piezas coladas en un solo molde (sistema de múltiples compuertas). Cualquier metal adecuado puede ser utilizado para esta fundición. Más económico. El elevado costo de los modelos de metal queda compensado con el tamaño de las series de producción. La elevada calidad de la pieza terminada reduce los costos de acabado, maquinado y otros. Formas complejas con menos mano de obra. Automatización del proceso.

FUNDICIÓN Y MOLDEO SOBRE MODELO CONSUMIBLE: (Modelo y molde desechable) Se utiliza un modelo de poliestireno, que se evapora en contacto con el metal fundido para formar una cavidad para la fundición.

Proceso: 1. Se colocan perlas de poliestireno crudo desechable (PSE) en una matriz precalentada, que por lo general está hecha de aluminio. El poliestireno se expande y toma la forma de la cavidad de la matriz. 2. Se aplica más calor para fundir y unir las perlas entre sí.

3. Se deja enfriar la matriz y se abre, retirándose el modelo de poliestireno. 4. El modelo se recubre con un barro refractario a base de agua, se seca y se coloca en una caja de moldeo. 5. La caja se llena de arena suelta y fina, que rodea y soporta el modelo y puede secarse o mezclarse con agentes aglutinantes para darle resistencia adicional. 6. Se compacta la arena de manera periódica. 7. Sin retirar el patrón de poliestireno, se vacía el metal fundido en el molde.

Ventajas y desventajas: -

Es un proceso simple, ya que no existen líneas de partición, corazones o sistemas de alimenta...