Introducción a los Procesos de Manufactura 9780470632284

Table of contents :
Introducción y panorama general de la manufactura
Materiales en la ingeniería
Propiedades de los materiales de ingeniería
Dimensiones, tolerancias y superficies
Fundamentos de la fundición de metales
Procesos de fundición de metales
Trabajo del vidrio
Procesos para dar forma a los plásticos
Procesos para dar forma al hule y a los materiales compósitos de matriz polimérica (PMC)
Metalurgia de polvos
Procesamiento de cerámicos y cermets
Fundamentos del formado de metales
Procesos de deformación volumétrica en el trabajo de metales
Conformado de láminas metálicas
Teoría del maquinado de metales
Operaciones de maquinado y máquinas herramienta
Tecnología de las herramientas de corte y temas relacionados
Rectificado y otros procesos abrasivos
Procesos de maquinado no tradicionales
Tratamiento térmico de metales
Operaciones de procesamiento superficial
Fundamentos de soldadura
Procesos de soldadura
Soldadura fuerte, soldadura blanda y pegado adhesivo
Ensamble mecánico
Prototipado rápido
Tecnologías de microfabricación y nanofabricación
Sistemas de producción y planeación de procesos
Estudio de la automatización y los sistemas de manufactura
Control de calidad e inspección

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Esta obra fue diseñada para un curso sobre manufactura en el nivel básico de los programas de ingeniería mecánica, industrial y de manufactura. También puede ser apropiado para los programas de tecnología relacionados con estas disciplinas de ingeniería. De la presente obra podemos destacar los siguientes temas: • Materiales de ingeniería • Sistemas de producción y procesos de manufactura • Un mayor énfasis en la ciencia de la manufactura y el modelado matemático de procesos Estos temas nos brindan una cobertura completa de los cursos enfocados en los procesos de manufactura.

978-607-15-1208-6

Mikell P. Groover

Profesor Emérito de Ingeniería Industrial y en Sistemas Lehigh University

Revisión técnica Jorge E. Aguirre Aguilar Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey, Campus Estado de México Ulises Figueroa López Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey, Campus Estado de México Francisco Javier Sandoval Palafox Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey, Campus Estado de México

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Director general: Miguel Ángel Toledo Castellanos Coordinador sponsor: Jesús Mares Chacón Coordinadora editorial: Marcela I. Rocha Martínez Editora de desarrollo: Ana L. Delgado Rodríguez Supervisor de producción: Cristina Tapia Montes de Oca Traducción: Jesús Elmer Murrieta Murrieta

Prohibida la reproducción total o parcial de esta obra, por cualquier medio, sin la autorización escrita del editor.

DERECHOS RESERVADOS © 2014 respecto a la primera edición en español por McGRAW-HILL/INTERAMERICANA EDITORES, S.A. DE C.V. Edificio Punta Santa Fe Prolongación Paseo de la Reforma 1015 Torre A Piso 17, Colonia Desarrollo Santa Fe, Delegación Álvaro Obregón C.P. 01376, México, D. F. Miembro de la Cámara Nacional de la Industria Editorial Mexicana, Reg. Núm. 736

ISBN: 978-607-15-1208-6

Traducido de la primera edición en inglés de Introduction to Manufacturing Processes, de Mikell P. Groover. Copyright © 2012 por John Wiley & Sons, Inc. Todos los derechos reservados. ISBN: 978-0-470-63228-4

ARR 05/14

1234567890 2356789014 Impreso en México

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Contenido

Prefacio xiii Acerca del autor  xiv Agradecimientos xv Capítulo 1 Introducción y panorama general de la manufactura  1 1.1 ¿Qué es la manufactura?  2 1.1.1  Definición de manufactura  2 1.1.2 Las industrias manufactureras y sus productos 3 1.1.3  Capacidad de manufactura  5 1.1.4  Los materiales en la manufactura  6 1.2 Procesos de manufactura  8 1.2.1  Operaciones de proceso  8 1.2.2  Operaciones de ensamble  12 1.2.3  Máquinas de producción y herramientas  12 1.3 Organización del libro  13 Referencias 14 Preguntas de repaso  14 Parte I Materiales en la ingeniería y atributos del producto  15 Capítulo 2 Materiales en la ingeniería  15 2.1 Metales y sus aleaciones  16 2.1.1 Aceros 17 2.1.2 Hierros fundidos 22 2.1.3  Metales no ferrosos  23 2.1.4 Superaleaciones 27 2.2 Cerámicos 28 2.2.1 Cerámicos tradicionales 29 2.2.2  Nuevos materiales cerámicos  30 2.2.3 Vidrio 32 2.3 Polímeros 34 2.3.1 Polímeros termoplásticos 37 2.3.2 Polímeros termofijos 38 2.3.3 Elastómeros 39 2.4 Compósitos 41 2.4.1 Tecnología y clasificación de los materiales compósitos  42 2.4.2 Materiales compósitos 44 Referencias 46 Preguntas de repaso  46

Capítulo 3 Propiedades de los materiales de ingeniería  48 3.1 Relaciones esfuerzo-deformación 49 3.1.1  Propiedades a la tensión  49 3.1.2  Propiedades ante la compresión  56 3.1.3  Doblado y prueba de materiales frágiles  58 3.1.4  Propiedades al cortante  59 3.2 Dureza 61 3.2.1  Pruebas de dureza  61 3.2.2  Dureza de distintos materiales  63 3.3 Efecto de la temperatura sobre las propiedades mecánicas  64 3.4 Propiedades de los fluidos  66 3.5 Comportamiento viscoelástico de los polímeros 68 3.6 Propiedades volumétricas y de fusión  70 3.6.1  Densidad y expansión térmica  71 3.6.2  Características de fusión  72 3.7 Propiedades térmicas  73 3.7.1 Calor específico y conductividad térmica  73 3.7.2  Propiedades térmicas en la manufactura  74 Referencias 75 Preguntas de repaso  75 Problemas 76 Capítulo 4 Dimensiones, tolerancias y superficies  78 4.1 Dimensiones y tolerancias  78 4.1.1  Dimensiones y tolerancias  79 4.1.2  Otros atributos geométricos  79 4.2 Superficies 79 4.2.1  Características de las superficies  80 4.2.2  Textura de la superficie  81 4.2.3  Integridad de la superficie  83 4.3 Efecto de los procesos de manufactura  84 Referencias 85 Preguntas de repaso  86 Apéndice A4: Medición de dimensiones y superficies  87 A4.1 Instrumentos de medición y calibradores convencionales  87 A4.1.1  Bloques calibradores de precisión  87 A4.1.2 Instrumentos de medición para dimensiones lineales  88 A4.1.3 Instrumentos comparativos 90 A4.1.4 Mediciones angulares 91 A4.2 Mediciones de superficies  91

vi  Contenido

A4.2.1 Medición de la rugosidad de la superficie  91 A4.2.2 Evaluación de la integridad de la superficie  92 Parte II Procesos de solidificación  93 Capítulo 5 Fundamentos de la fundición de metales  93 5.1 Panorama de la tecnología de fundición  94 5.1.1  Procesos de fundición  94 5.1.2  Moldes para fundición en arena  96 5.2 Calentamiento y vertido  96 5.2.1  Calentamiento del metal  97 5.2.2  Vertido del metal fundido  97 5.2.3  Análisis de ingeniería del vertido  98 5.3 Solidificación y enfriamiento  99 5.3.1  Solidificación de los metales  99 5.3.2  Tiempo de solidificación  102 5.3.3 Contracción 103 5.3.4 Solidificación direccional 104 5.3.5  Diseño de la mazarota  105 Referencias 106 Preguntas de repaso  106 Problemas 107 Capítulo 6 Procesos de fundición de metales  108 6.1 Fundición en arena  108 6.1.1  Modelos y corazones  109 6.1.2  Moldes y su fabricación  110 6.1.3  La operación de fundición  112 6.2 Otros procesos de fundición con moldes desechables 112 6.2.1  Moldeo en cáscara  112 6.2.2  Procesos de poliestireno expandido  113 6.2.3  Fundición por revestimiento  114 6.2.4 Fundición con moldes de yeso y material cerámico 116 6.3 Procesos de fundición con moldes permanentes 117 6.3.1 El proceso básico con moldes permanentes 117 6.3.2 Variaciones de la fundición con moldes permanentes 117 6.3.3  Fundición en dados  119 6.3.4 Fundición por dado impresor y fundición de metales semisólidos  121 6.3.5 Fundición centrífuga 122 6.4 La práctica de la fundición  124 6.4.1 Hornos 124 6.4.2 Vaciado, limpieza y tratamiento térmico 126 6.5 Calidad de la fundición  127

6.6 Metales para fundición  130 6.7 Consideraciones sobre el diseño del producto  131 Referencias 133 Preguntas de repaso  133 Problemas 133 Capítulo 7 Trabajo del vidrio  135 7.1 Preparación y fusión de las materias primas  135 7.2 Procesos de moldeo durante el trabajado del vidrio  136 7.2.1  Moldeo de artículos de vidrio  136 7.2.2  Moldeo de vidrio plano y tubular  139 7.2.3  Formado de fibras de vidrio  140 7.3 Tratamiento térmico y acabado  140 7.3.1  Tratamiento térmico  141 7.3.2 Acabado 142 7.4 Consideraciones sobre el diseño del producto  142 Referencias 143 Preguntas de repaso  143 Capítulo 8 Procesos para dar forma a los plásticos  144   8.1 Propiedades de los polímeros fundidos  145  8.2 Extrusión  147 8.2.1  Proceso y equipo  147 8.2.2  Análisis de la extrusión  149 8.2.3 Configuraciones del dado y productos extruidos 153 8.2.4  Defectos de la extrusión  155   8.3 Producción de láminas y película  156   8.4 Producción de fibras y filamentos (hilado)  159   8.5 Procesos de recubrimiento  161   8.6 Moldeo por inyección  161 8.6.1  Proceso y equipo  162 8.6.2 El molde 163 8.6.3 Contracción y defectos en el moldeo por inyección 165 8.6.4 Otros procesos del moldeo por inyección 167   8.7 Moldeo por compresión y transferencia  168 8.7.1  Moldeo por compresión  169 8.7.2  Moldeo por transferencia  170   8.8 Moldeo por soplado y moldeo rotacional  170 8.8.1  Moldeo por soplado  171 8.8.2 Moldeo rotacional 174  8.9 Termoformado  176 8.10 Fundición 179 8.11 Procesamiento y formado de espuma de polímero 179 8.12 Consideraciones sobre el diseño del producto 181 Referencias 183 Preguntas de repaso  183 Problemas 184

Contenido  vii

Capítulo 9 Procesos para dar forma al hule y a los materiales compósitos de matriz polimérica (PMC)  185 9.1 Procesamiento y formado del hule  186 9.1.1  Producción de hule  186 9.1.2 Composición 187 9.1.3 Mezclado 187 9.1.4  Formación y procesos relacionados  188 9.1.5 Vulcanización 190 9.2 Manufactura de neumáticos y otros productos de hule  191 9.2.1 Neumáticos 191 9.2.2  Otros productos de hule  194 9.2.3 Procesamiento de elastómeros termoplásticos 194 9.3 Materiales y procesos para dar forma a los PMC  194 9.3.1  Materias primas para PMC  195 9.3.2 Combinación de la matriz y el refuerzo  196 9.4 Procesos con molde abierto  197 9.4.1  Aplicado manual  198 9.4.2  Aplicado por aspersión  199 9.4.3 Máquinas de aplicación automatizada con cinta 200 9.4.4 Curado 200 9.5 Procesos con molde cerrado  201 9.5.1 Procesos de moldeo por compresión para PMC  201 9.5.2 Procesos de moldeo por transferencia para PMC  202 9.5.3 Procesos de moldeo por inyección para PMC  202 9.6 Bobinado de filamentos  203 9.7 Procesos de pultrusión  204 9.7.1 Pultrusión 204 9.7.2 Pulformado 205 9.8 Otros procesos de formado para PMC  205 Referencias 207 Preguntas de repaso  207 Parte III Procesamiento de partículas para metales y cerámicos  209 Capítulo 10 Metalurgia de polvos  209 10.1 Producción de polvos metálicos  211 10.1.1 Atomización 211 10.1.2  Otros métodos de producción  211 10.2 Prensado convencional y sinterizado  213 10.2.1 Mezclado y mezclado combinado de polvos 213 10.2.2 Compactación 214 10.2.3 Sinterizado 216 10.2.4 Operaciones secundarias 217

10.3

Alternativas de prensado y técnicas de sinterizado  218 10.3.1 Prensado isostático 218 10.3.2  Moldeo por inyección de polvos  219 10.3.3 Laminado, extruido y forjado de polvos  220 10.3.4 Combinación de prensado y sinterizado 221 10.3.5  Sinterizado en fase líquida  221 10.4 Materiales y productos para metalurgia de polvos  221 10.5 Consideraciones de diseño en metalurgia de polvos  222 Referencias 225 Preguntas de repaso  225 Problemas 226 Apéndice A10: Características de los polvos en ingeniería  227 A10.1 Características geométricas 227 A10.2 Otras características 229 Capítulo 11 Procesamiento de cerámicos y cermets  231 11.1 Procesamiento de cerámicos tradicionales 231 11.1.1  Preparación de las materias primas  232 11.1.2  Procesos para dar forma  234 11.1.3 Secado 237 11.1.4 Cocimiento (sinterizado) 238 11.2 Procesamiento de cerámicos nuevos  238 11.2.1  Preparación de materiales iniciales  238 11.2.2 Formado 239 11.2.3 Sinterizado 240 11.2.4 Acabado 241 11.3 Procesamiento de cermets  241 11.3.1 Carburos cementados 241 11.3.2 Otros cermets y compósitos de matriz de cerámico  243 11.4 Consideraciones para el diseño de productos  243 Referencias 244 Preguntas de repaso  244 Parte IV Formado de metal y conformado de láminas metálicas  245 Capítulo 12 Fundamentos del formado de metales  245 12.1 Panorama del formado de metales  245 12.2 Comportamiento del material en el formado de metales  248 12.3 Temperatura en el formado de metales  249

viii  Contenido

12.4

Fricción y lubricación en el formado de metales  251 Referencias 252 Preguntas de repaso  252 Problemas 253 Capítulo 13 Procesos de deformación volumétrica en el trabajo de metales  254 13.1 Laminación 255 13.1.1  Laminación plana y su análisis  256 13.1.2  Laminación de perfiles  260 13.1.3 Molinos laminadores 261 13.1.4 Otros procesos de deformación relacionados con el laminado  262 13.2 Forjado 264 13.2.1  Forjado en dado abierto  265 13.2.2  Forjado con dado impresor  268 13.2.3  Forjado sin rebaba  269 13.2.4 Dados de forjado, martinetes y prensas  270 13.2.5 Otros procesos relacionados con el forjado  273 13.3 Extrusión 276 13.3.1  Tipos de extrusión  276 13.3.2  Análisis de la extrusión  279 13.3.3  Dados y prensas de extrusión  282 13.3.4  Otros procesos de extrusión  284 13.3.5  Defectos en productos extruidos  285 13.4 Trefilado de alambres y barras  286 13.4.1  Análisis del trefilado  287 13.4.2  Práctica del trefilado  289 Referencias 291 Preguntas de repaso  292 Problemas 292 Capítulo 14 Conformado de láminas metálicas  296 14.1 Operaciones de corte  297 14.1.1  Cizallado, troquelado y punzonado  298 14.1.2 Análisis de ingeniería del corte de láminas metálicas  298 14.1.3 Otras operaciones de corte de láminas metálicas  301 14.2 Operaciones de doblado  302 14.2.1  Doblado en V y doblado de bordes  303 14.2.2 Análisis de la ingeniería del doblado  303 14.2.3 Otras operaciones de doblado y formado  305 14.3 Embutido 306 14.3.1  Mecánica del embutido  306 14.3.2 Análisis de ingeniería del embutido  309

14.3.3  Otras operaciones de embutido  311 14.3.4  Defectos del embutido  312 14.4 Otras operaciones de formado de láminas metálicas 312 14.4.1 Operaciones realizadas con herramientas metálicas 312 14.4.2  Procesos de formado con caucho  314 14.5 Dados y prensas para procesos con láminas metálicas  315 14.5.1  Troqueles y matrices  315 14.5.2 Prensas 317 14.6 Operaciones con láminas metálicas no realizadas en prensas  320 14.6.1  Formado por estirado  320 14.6.2  Doblado y formado con rodillos  321 14.6.3 Rechazado 322 14.6.4  Formado por alta tasa de energía  323 Referencias 324 Preguntas de repaso  325 Problemas 325 Parte V Procesos de remoción de material  327 Capítulo 15 Teoría del maquinado de metales  327 15.1 Panorama general de la tecnología del maquinado  329 15.2 Teoría de la formación de viruta en el maquinado de metales  332 15.2.1  Modelo de corte ortogonal  332 15.2.2  Formación real de la viruta  334 15.3 Relaciones de fuerza y la ecuación de Merchant  336 15.3.1  Fuerzas en el corte de metales  336 15.3.2  La ecuación de Merchant  338 15.4 Relaciones entre potencia y energía en el maquinado  341 15.5  Temperatura de corte  343 15.5.1 Métodos analíticos para el cálculo de la temperatura de corte  343 15.5.2 Medición de la temperatura de corte  344 Referencias 345 Preguntas de repaso  345 Problemas 346 Capítulo 16 Operaciones de maquinado y máquinas herramienta  348 16.1 Maquinado y geometría de las piezas  348 16.2 Torneado y operaciones afines  351 16.2.1 Condiciones de corte en el torneado  351

Contenido  ix

16.2.2 Operaciones relacionadas con el torneado 352 16.2.3  El torno mecánico  354 16.2.4 Otros tornos y máquinas de torneado  356 16.2.5 Máquinas mandrinadoras 357 16.3 Taladrado y operaciones afines  359 16.3.1 Condiciones de corte en el taladrado  360 16.3.2 Operaciones relacionadas con el taladrado  361 16.3.3 Taladros 362 16.4 Fresado 363 16.4.1  Tipos de operaciones de fresado  363 16.4.2  Condiciones de corte en fresado  366 16.4.3 Fresadoras 368 16.5 Centros de maquinado y centros de torneado  370 16.6 Otras operaciones de maquinado  372 16.6.1 Cepillado 372 16.6.2 Brochado 374 16.6.3 Aserrado 375 16.7 Maquinado de alta velocidad  377 16.8 Tolerancias y acabado superficial  378 16.8.1  Tolerancias en maquinado  378 16.8.2 Acabado superficial en maquinado  379 16.9 Consideraciones para el diseño del producto en maquinado  382 Referencias 384 Preguntas de repaso  384 Problemas 385 Capítulo 17 Tecnología de las herramientas de corte y temas relacionados  387 17.1 Vida de las herramientas  387 17.1.1  Desgaste de la herramienta  388 17.1.2 Vida de la herramienta y la ecuación de Taylor  389 17.2 Materiales para herramientas  393 17.2.1 Aceros de alta velocidad y sus predecesores 395 17.2.2  Aleaciones fundidas de cobalto  396 17.2.3 Carburos cementados, cermets y carburos recubiertos  397 17.2.4 Cerámicos 399 17.2.5 Diamantes sintéticos y nitruro de boro cúbico  400 17.3 Geometría de las herramientas  400 17.3.1 Geometría de las herramientas de una punta  401 17.3.2 Herramientas de múltiples filos cortantes 404

17.4

Fluidos de corte  406 17.4.1  Tipos de fluidos de corte  407 17.4.2  Aplicación de los fluidos de corte  408 17.5 Maquinabilidad  409 17.6 Economía del maquinado  411 17.6.1 Selección del avance y de la profundidad de corte  411 17.6.2  Velocidad de corte  412 Referencias  417 Preguntas de repaso  418 Problemas  418 Capítulo 18 Rectificado y otros procesos abrasivos  422 18.1 Rectificado  422 18.1.1  La piedra abrasiva  423 18.1.2  Análisis del proceso de rectificado  426 18.1.3 Consideraciones en la aplicación del rectificado 432 18.1.4 Operaciones de rectificado y rectificadoras  433 18.2 Procesos abrasivos relacionados  439 18.2.1 Asentado 439 18.2.2 Lapeado 440 18.2.3 Superacabado 441 18.2.4  Pulido y abrillantado  441 Referencias  442 Preguntas de repaso  443 Problemas  443 Capítulo 19 Procesos de maquinado no tradicionales  445 19.1 Procesos de energía mecánica  446 19.1.1 Maquinado ultrasónico 446 19.1.2  Procesos con chorro de agua  447 19.1.3 Otros procesos abrasivos no tradicionales 448 19.2 Procesos de maquinado electroquímico  449 19.2.1 Maquinado electroquímico 449 19.2.2 Desbarbado y rectificado electroquímico 452 19.3 Procesos de energía térmica  453 19.3.1 Procesos con descarga eléctrica (electroerosión) 453 19.3.2  Maquinado con haz de electrones  456 19.3.3  Maquinado con haz láser  457 19.4 Maquinado químico  458 19.4.1 Mecánica y química del maquinado químico  458 19.4.2  Procesos de maquinado químico  460 19.5 Consideraciones para la aplicación  463 Referencias  464 Preguntas de repaso  465 Problemas  465

x  Contenido

Parte VI Operaciones para la mejora de propiedades y el procesamiento superficial  467 Capítulo 20 Tratamiento térmico de metales  467 20.1 Recocido  468 20.2 Formación de martensita en el acero  468 20.2.1 Curva tiempo-temperaturatransformación 469 20.2.2  Procesos del tratamiento térmico  470 20.2.3 Templabilidad 471 20.3 Endurecimiento por precipitación  471 20.4 Endurecimiento superficial  473 Referencias  474 Preguntas de repaso  474 Capítulo 21 Operaciones de procesamiento superficial  475 21.1 Procesos de limpieza industrial  476 21.1.1 Limpieza química 476 21.1.2 Limpieza mecánica y tratamientos superficiales  477 21.2 Difusión e implantación iónica  479 21.2.1 Difusión 479 21.2.2 Implantación iónica 479 21.3 Deposición y procesos relacionados  480 21.3.1 Electrodeposición 480 21.3.2 Electroformado 482 21.3.3  Deposición no electrolítica  482 21.3.4  Inmersión en caliente  483 21.4 Recubrimientos por conversión  483 21.4.1 Recubrimientos por conversión química  484 21.4.2 Anodizado 484 21.5 Procesos por deposición de vapor  484 21.5.1  Deposición física de vapor  485 21.5.2  Deposición química de vapor  487 21.6 Recubrimientos orgánicos  489 21.6.1  Métodos de aplicación  490 21.6.2 Pulvirrecubrimiento 491 Referencias 492 Preguntas de repaso  492 Problemas 492 Parte VII Procesos de unión y ensamble  495 Capítulo 22 Fundamentos de soldadura  495 22.1 Perspectiva de la tecnología de la soldadura  496 22.1.1  Tipos de procesos de soldadura  496 22.1.2 La soldadura como una operación comercial  497

22.2

Unión soldada  498 22.2.1  Tipos de uniones  499 22.2.2  Tipos de soldaduras  499 22.3 Física de la soldadura  501 22.3.1  Densidad de potencia  501 22.3.2 Equilibrio de calor en la soldadura por fusión  503 22.4 Características de una junta soldada por fusión  505 Referencias  506 Preguntas de repaso  506 Problemas  506 Capítulo 23 Procesos de soldadura  508 23.1 Soldadura con arco  508 23.1.1 Tecnología general de la soldadura con arco  509 23.1.2 Procesos de AW, electrodos consumibles 511 23.1.3 Procesos de AW, electrodos no consumibles  515 23.2 Soldadura por resistencia  516 23.2.1 Fuente de potencia en la soldadura por resistencia  516 23.2.2  Procesos de soldadura por resistencia  517 23.3 Soldadura con gas oxicombustible  521 23.3.1  Soldadura con oxiacetileno  521 23.3.2 Gases alternativos para la soldadura con gas oxicombustible  522 23.4 Otros procesos de soldadura por fusión  523 23.5 Soldadura de estado sólido  525 23.5.1 Consideraciones generales en la soldadura de estado sólido  526 23.5.2 Procesos de soldadura de estado sólido 526 23.6 Calidad de la soldadura  531 23.7 Consideraciones de diseño en la soldadura  534 Referencias 535 Preguntas de repaso  535 Problemas 536 Capítulo 24 Soldadura fuerte, soldadura blanda y pegado adhesivo  538 24.1 Soldadura fuerte  538 24.1.1  Uniones con soldadura fuerte  539 24.1.2  Metales de aporte y fundentes  541 24.1.3  Métodos de soldadura fuerte  541 24.2 Soldadura blanda  543 24.2.1 Diseños de uniones en la soldadura blanda  544 24.2.2  Soldantes y fundentes  544 24.2.3  Métodos para soldadura blanda  546

Contenido  xi

24.3

Pegado adhesivo  547 24.3.1  Diseño de uniones  548 24.3.2  Tipos de adhesivos  549 24.3.3 Tecnología de aplicación de los adhesivos  550 Referencias  551 Preguntas de repaso  551 Capítulo 25 Ensamble mecánico  552 25.1 Elementos roscados  553 25.1.1  Tornillos, pernos y tuercas  553 25.1.2 Otros elementos roscados y equipo relacionado  554 25.1.3 Esfuerzos y resistencias en las uniones con pernos  555 25.1.4 Herramientas y métodos para ensamblar elementos roscados  557 25.2 Remaches  558 25.3 Métodos de ensamble basados en ajustes por interferencia  559 25.4 Otros métodos de sujeción mecánica  561 25.5 Insertos en moldeado y sujetadores integrales  562 25.6 Diseño para ensambles  563 25.6.1  Principios generales del DFA  563 25.6.2  Diseño para ensamble automatizado  565 Referencias  566 Preguntas de repaso  566 Problemas  566 Parte VIII Procesamiento especial y tecnologías de ensamble  569 Capítulo 26 Prototipado rápido  569 26.1 Fundamentos del prototipado rápido  570 26.2 Tecnologías para el prototipado rápido  571 26.2.1 Sistemas de prototipado rápido basados en líquidos  571 26.2.2 Sistemas de prototipado rápido basados en sólidos  574 26.2.3 Sistemas de prototipado rápido basados en polvos  576 26.3 Aspectos de la aplicación en el prototipado rápido  577 Referencias 579 Preguntas de repaso  579 Capítulo 27 Tecnologías de microfabricación y nanofabricación  580 27.1 Productos de microsistemas  581 27.1.1 Tipos de dispositivos de microsistema 581 27.1.2  Aplicaciones de microsistemas  582

27.2

Procesos de microfabricación  583 27.2.1  Procesos con capas de silicio  584 27.2.2 Proceso LIGA 586 27.2.3 Otros procesos de microfabricación  588 27.3 Productos de nanotecnología  591 27.4 Microscopios de sonda de barrido  593 27.5 Procesos de nanofabricación  594 27.5.1 Enfoques de procesamiento de lo general a lo particular  594 27.5.2 Enfoques de procesamiento de lo particular a lo general  595 Referencias 599 Preguntas de repaso  600 Parte IX Tópicos de sistemas para la manufactura  601 Capítulo 28 Sistemas de producción y planeación de procesos  601 28.1 Panorama general de los sistemas de producción  601 28.1.1  Instalaciones de producción  602 28.1.2 Sistemas de soporte para la manufactura  604 28.2 Planeación de procesos  605 28.2.1  Planeación tradicional de procesos  605 28.2.2  Decisión entre hacer o comprar  609 28.2.3 Planeación de procesos asistida por computadora  610 28.2.4 Solución de problemas y mejora continua  612 28.3 Ingeniería concurrente y diseño para manufactura  612 28.3.1  Diseño para manufactura y ensamble  613 28.3.2  Ingeniería concurrente  614 Referencias 615 Preguntas de repaso  616 Capítulo 29 Estudio de la automatización y los sistemas de manufactura  617 29.1 Control numérico computarizado  618 29.1.1  Tecnología para el control numérico  618 29.1.2 Análisis de los sistemas de posicionamiento para el CN  620 29.1.3  Programación de piezas en CN  625 29.1.4  Aplicaciones del control numérico  626 29.2 Manufactura celular   627 29.2.1  Familias de partes  627 29.2.2  Celdas de manufactura  628 29.3 Sistemas y celdas flexibles de manufactura  631 29.3.1 Integración de los componentes de un FMS  631

xii  Contenido

29.3.2 Aplicaciones de los sistemas flexibles de manufactura  634 29.4 Producción esbelta  634 29.4.1 Sistemas de producción de justo a tiempo   635 29.4.2 Otros enfoques en la producción esbelta  636 29.5 Manufactura integrada por computadora  637 Referencias 639 Preguntas de repaso  639 Problemas 640 Capítulo 30 Control de calidad e inspección  642 30.1 Calidad del producto  642 30.2 Capacidad del proceso y tolerancias  643 30.3 Control estadístico de procesos  644 30.3.1  Gráficas de control por variables  645

30.3.2  Gráficas de control por atributos  646 30.3.3  Interpretación de las gráficas  648 30.4 Programas de calidad en la manufactura  648 30.4.1  Administración de la calidad total  649 30.4.2  Seis Sigma  649 30.4.3  ISO 9000  652 30.5 Principios de inspección  652 30.6 Tecnologías modernas de inspección  654 30.6.1 Máquinas de medición de coordenadas  654 30.6.2  Visión máquina  655 30.6.3 Otras técnicas de inspección sin contacto  657 Referencias 658 Preguntas de repaso  658 Problemas 659

Prefacio

Introducción a los procesos de manufactura está diseñado para un primer curso sobre manufactura en el nivel básico de los programas de ingeniería mecánica, industrial y de manufactura. También puede ser apropiado para los programas de tecnología relacionados con estas disciplinas de ingeniería. El texto se basa en gran parte en mi otro libro sobre manufactura, Fundamentos de manufactura moderna: materiales, procesos y sistemas. Ese libro tiene una longitud aproximada de 1 000 páginas, y compite con otros libros de texto de manufactura que también son muy largos. En ocasiones, ha habido quejas coincidentes acerca de que estos libros incluyen más contenido del que es posible cubrir en un curso de un semestre. El argumento en contra de estas quejas es que dichos volúmenes muy amplios servirán como referencias valiosas para los estudiantes en su futuro profesional, suponiendo que ejercerán sus profesiones en el ámbito del diseño y/o la manufactura. Con este nuevo libro tratamos de proporcionar una oferta significativamente más corta que los otros textos (alrededor de 700 páginas en relación con las más de 1 000 páginas). Para decidir sobre la cobertura de este texto, se realizó una encuesta entre los profesores que han adoptado el libro de Fundamentos… o alguno de sus competidores, a fin de determinar qué temas se consideran más importantes en sus respectivos cursos. Con base en los resultados de la encuesta, desarrollamos el contenido temático del presente libro, que se centra en los procesos de manufactura. La cobertura de los materiales de ingeniería se ha reducido de ocho capítulos a dos, y la cobertura de los sistemas de producción se ha reducido de cinco capítulos a tres. Los dos capítulos que tratan de la fabricación de productos electrónicos se han eliminado debido a que nuestro estudio mostró que muchos profesores de ingeniería mecánica no sienten la necesidad de incluir este tema en sus cursos. Por último, hay varios casos en los que combiné capítulos. Todos estos cambios han dado lugar a un nuevo libro que contiene un total de 30 capítulos, en comparación con los 42 capítulos de la última edición del libro Fundamentos. Los capítulos sobre procesos de manufactura se han tomado casi literalmente de Fundamentos. En algunos casos he reducido la cobertura omitiendo ciertos procesos o detalles acerca de los procesos que parecían apropiados para el texto más completo, pero no para esta versión introductora. El énfasis en la ciencia de la manufactura y el modelado matemático de procesos sigue siendo un importante atributo del nuevo libro. Los lectores podrán ver que se han eliminado las “Notas históricas” y las preguntas de opción múltiple al final de cada capítulo del nuevo libro. Se han conservado las preguntas de repaso y los problemas al final de cada capítulo, pero el número de problemas se ha reducido. Todos estos cambios se han hecho para disminuir el número de páginas, lo que se traduce en un libro de texto que incluye la mayor parte de los temas que cubre la mayoría de los profesores que imparten cursos en manufactura. Para los profesores que requieran un estudio más amplio de los temas incluidos en este nuevo libro, esperamos que sigan adoptando el libro Fundamentos.

Acerca del autor

Mikell P. Groover es profesor emérito de Ingeniería Industrial y en Sistemas en Lehigh University. Obtuvo grados de B.A. en Ciencias y Artes (1961), B.S. en Ingeniería Mecánica (1962), M.S. en Ingeniería Industrial (1966) y Ph. D. (1969), todos en Lehigh. Es ingeniero profesional registrado en Pennsylvania. Su experiencia industrial incluye varios años como ingeniero de manufactura en Eastman Kodak Company. Desde que ingresó a Lehigh ha efectuado trabajos de consultoría, investigación y proyectos para varias compañías industriales. Sus áreas de investigación y enseñanza incluyen procesos de manufactura, sistemas de producción, automatización, manejo de materiales, planificación de instalaciones y sistemas de trabajo. Ha obtenido varios premios por su enseñanza en Lehigh University, así como el Albert G. Holzman Outstanding Educator Award, del Institute of Industrial Engineers (1965) y el SME Education Award, de la Society of Manufacturing Engineers (2001). Es miembro del IIE (1987) y de la SMR (1996). Entre sus publicaciones están 75 artículos técnicos y siete libros (que se mencionan más adelante). Sus textos se emplean en todo el mundo y han sido traducidos al francés, alemán, español, portugués, ruso, japonés, coreano y chino. La primera edición de Fundamentals of Modern Manufacturing recibió el IIE Joint Publishers Award (1996) y el M. Eugene Merchant Manufacturing Textbook Award, de la Society of Manufacturing Engineers (1996).

OTROS LIBROS DEL AUTOR Automation, Production Systems, and Computer-Aided Manufacturing. Prentice Hall, 1980. CAD/CAM: Computer-Aided Design and Manufacturing. Prentice-Hall, 1984 (en colaboración con E. W. Zimmers, Jr.). Industrial Robotics: Technology, Programming, and Applications. McGraw-Hill Book Company, 1986 (en colaboración con M. Weiss, R. Nagel y N. Odrey). Automation, Production Systems, and Computer Integrated Manufacturing. Prentice Hall, 1987. Fundamentals of Modern Manufacturing: Materials, Processes, and Systems, publicado originalmente por Prentice Hall en 1996, y después por John Wiley & Sons, Inc., en 1999. Automation, Production Systems, and Computer Integrated Manufacturing, 2a. ed., Prentice Hall, 2001. Fundamentals of Modern Manufacturing: Materials, Proceses, and Systems. 2a. ed., John Wiley & Sons, Inc., 2002. Work Systems and the Methods, Measurement, and Management of Work, Pearson Prentice Hall, 2007. Fundamentals of Modern Manufacturing: Materials, Processes, and Systems, 3a. ed., John Wiley & Sons, Inc., 2007. Automation, Production Systems, and Computer Integrated Manufacturing. 3a. ed., Pearson Prentice Hall, 2008. Fundamentals of Modern Manufacturing: Materials, Processes, and Systems, 4a. ed., John Wiley & Sons, Inc., 2010.

Agradecimientos

Quisiera expresar mi agradecimiento a las personas siguientes, quienes participaron en nuestra encuesta, la cual dio lugar a las decisiones sobre el contenido de este libro: Yuan-Shin Lee, de la North Carolina State University; Ko Moe Hun, de la University of Hawaii; Ronald Huston, de la University of Cincinnati; Ioan Marinescu, de la University of Toledo; Val Marinov, de la North Dakota State University; Victor Okhuysen, de la California Polytechnic University en Pomona; John M. Usher, de la Mississippi State University; Daniel Waldorf, de la California Polytechnic State University; Allen Yi, de la Ohio State University; Jack Zhou, de la Drexel University, y Brian Thompson, de la Michigan State University. Además, me parece conveniente reconocer a mis colegas editores en Hoboken, Nueva Jersey: la editora ejecutiva Linda Ratts, los asistentes editoriales Renata Marcionne y Christopher Teja y el editor de producción Micheline Frederick. Por último, pero ciertamente no menos importante, agradezco los profundos esfuerzos del editor Joyce Poh.

1

Introducción y panorama general de la manufactura

CONTENIDO DEL CAPÍTULO 1.1

¿Qué es la manufactura? 1.1.1 Definición de manufactura 1.1.2 Las industrias manufactureras y sus productos 1.1.3 Capacidad de manufactura 1.1.4 Los materiales en la manufactura

1.2

1.3

Procesos de manufactura 1.2.1 Operaciones de proceso 1.2.2 Operaciones de ensamble 1.2.3 Máquinas de producción y herramientas Organización del libro

La fabricación de cosas ha sido una actividad esencial de las civilizaciones humanas desde antes de la historia registrada. Hoy en día se utiliza el término manufactura para denotar esta actividad. Por razones técnicas y económicas, la industria manufacturera es importante para el bienestar de Estados Unidos y de la mayoría de las naciones desarrolladas. La tecnología se define como la aplicación de la ciencia para proporcionar a la sociedad y a sus miembros aquellos objetos que necesitan o desean. La tecnología influye directa e indirectamente de muchas maneras en nuestra vida diaria. Considere la lista de productos de la tabla 1.1. Representan distintas tecnologías que ayudan a los miembros de nuestra sociedad a vivir mejor. ¿Qué tienen en común esos productos? Todos son manufacturados. Esas maravillas tecnológicas no estarían disponibles para la sociedad si no pudieran manufacturarse. La manufactura es el factor esencial que hace posible a la tecnología. En cuanto a la economía, la manufactura es un medio importante con el que una nación crea bienestar material. En Estados Unidos, las industrias manufactureras generan alrededor de 20% del producto interno bruto (PIB). Los recursos naturales de un país, como las tierras agrícolas, depósitos minerales y reservas petrolíferas, también crean bienestar. En Estados Unidos, la agricultura, minería e industrias similares generan menos de 5% del PIB (la agricultura representa sólo alrededor de 1%). La construcción y las empresas públicas producen aproximadamente 5%. El resto corresponde a industrias de servicios, entre las que se incluyen el menudeo, el transporte, la banca, las comunicaciones, la educación y el gobierno. El sector de los servicios agrupa más de 75% del PIB de Estados Unidos. Tan sólo el gobierno de ese país genera tanto PIB como el sector de manufactura; sin embargo, los servicios gubernamentales no crean riqueza. En la economía moderna internacional, una nación debe poseer una base fuerte de manufactura (o tener recursos naturales significativos) si ha de contar con una economía fuerte y estándares de vida elevados para su pueblo. En este capítulo de introducción se consideran temas generales sobre la manufactura. ¿Qué es la manufactura? ¿Cómo se organiza en la industria? ¿Cuáles son los procesos con los que se logra la producción?

2  CAPÍTULO 1  Introducción y panorama general de la manufactura

TABLA 1.1  Productos que represenan distintas tecnologías, la mayor parte de los cuales impactan en casi todas las personas Automóvil híbrido a gasolina-electricidad Avión supersónico Bolígrafo Bicicleta Cajero automático Calculadora electrónica portátil Cámara digital Circuito integrado Computadora personal (PC) Disco compacto (CD) Disco de video digital (DVD) Escáner óptico

Focos de luz fluorescente compacta Fotocopiadora Horno de microondas Impresora de inyección de tinta Juegos de video Latas de fácil apertura Lavadora de trastos Lavadora y secadora Lentes de contacto Libro electrónico Máquina de fax Máquina para el diagnóstico médico por medio de imágenes de resonancia magnética (IRM)

Neumático Podadora autopropulsada Raqueta de tenis de materiales compuestos Reloj de pulsera de cuarzo Reproductor de discos compactos Reproductor de discos de video digital Robot industrial Sistema de posicionamiento global Silla de plástico para el jardín, moldeada en una pieza Teléfono celular Televisión de pantalla plana y alta definición Zapatos deportivos

Recopilado en fuentes de datos disponibles acerca de los productos.

1.1  ¿Qué es la manufactura? La palabra manufactura se deriva de las palabras latinas manus (mano) y factus (hacer); la combinación de ambas significa hecho a mano. La palabra manufactura tiene varios siglos de antigüedad, y “hecho a mano” describe en forma adecuada los métodos manuales que se utilizaban cuando se acuñó la expresión.1 La mayor parte de la manufactura moderna se lleva a cabo por medio de maquinaria automatizada y controlada por computadora.

1.1.1  Definición de manufactura Como campo de estudio en el contexto moderno, la manufactura se puede definir de dos maneras: una tecnológica y la otra económica. En el sentido tecnológico, la manufactura es la aplicación de procesos físicos y químicos para alterar la geometría, propiedades o apariencia de un material de inicio específico para fabricar piezas o productos; la manufactura también incluye el ensamble de diversas piezas para fabricar productos. Los procesos para llevar a cabo la manufactura involucran una combinación de máquinas, herramientas, energía y trabajo manual, como se ilustra en la figura 1.1a). Casi siempre, la manufactura se ejecuta como una secuencia de operaciones. Cada una de éstas lleva al material más cerca del estado final que se desea. En el sentido económico, la manufactura es la transformación de los materiales en artículos de valor mayor por medio de una o más operaciones de procesamiento o ensamblado, según lo ilustra la figura 1.1b). La clave es que la manufactura agrega valor al material cambiando su forma o propiedades, o mediante su combinación con otros materiales que también han sido alterados. El material se habrá hecho más valioso por medio de las operaciones de manufactura ejecutadas en él. Cuando el mineral de hierro se convierte en acero, se le agrega valor. Si la arena se transforma en vidrio, se le añade valor. Cuando el petróleo se refina y se convierte en plástico, su valor aumenta. Y cuando el plástico se modela en la geometría compleja de una silla de jardín, se vuelve más valioso. Es frecuente que las palabras manufactura y producción se usen de manera indistinta. El punto de vista del autor es que la producción tiene un significado más amplio que la manufactura. Para ilustrar esto se puede utilizar la expresión “producción de petróleo crudo”, pero la frase “manufactura de petróleo crudo” parece fuera de lugar. Sin embargo, cuando se emplea en el contexto de productos como piezas metálicas o automóviles, cualquiera de ambas palabras es aceptable.

1

Como sustantivo, la primera aparición de la palabra manufactura fue en inglés, alrededor del año 1567 d.C. Como verbo (manufacturar), su primera aparición fue aproximadamente en el año 1683 d.C.

M aq H uina er r r ia En ami er en M gía tas an o de ob ra

1.1  ¿Qué es la manufactura?   3

Material en bruto

Proceso de manufactura Pieza procesada

Proceso de manufactura

Sobrantes y desperdicios

Valor agregado $$

$

Material en bruto

a)

Material en proceso

$$$

Pieza procesada

b)

FIGURA 1.1  Dos maneras de definir manufactura: a) como proceso técnico y b) como proceso económico. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

1.1.2  Las industrias manufactureras y sus productos La manufactura es una actividad comercial importante llevada a cabo por compañías que venden productos a sus clientes. El tipo de manufactura que una empresa realiza depende de la clase de producto que fabrica. Esta relación se analizará primero con el examen de los tipos de industrias manufactureras, y después con la identificación de los productos que generan. Industrias manufactureras  La industria consiste en empresas y organizaciones que producen o suministran bienes y servicios. Las industrias se clasifican como primarias, secundarias o terciarias. Las industrias primarias cultivan y explotan recursos naturales, como la agricultura y minería. Las industrias secundarias toman la producción de las primarias y la convierten en bienes de consumo y capital. En esta categoría, la manufactura es la actividad principal, pero también quedan incluidas las construcciones y la generación de energía. Las industrias terciarias constituyen el sector de servicios de la economía. En la tabla 1.2 se presenta una lista de industrias específicas de dichas categorías. Este libro se refiere a las industrias secundarias de la tabla 1.2, que incluyen las compañías que se dedican a la manufactura. Sin embargo, la Clasificación Internacional Estándar de Industrias, que se empleó para compilar la tabla 1.2, incluye varias industrias cuyas tecnologías de

TABLA 1.2  Industrias específicas de las categorías primaria, secundaria y terciaria Primaria Agricultura Forestal Pesca Ganadería Canteras Minería Petróleo

Secundaria Aerospacial Vestido Automotriz Metalurgia básica Bebidas Materiales para construcción Productos químicos Computadoras Construcción Aparatos electrodomésticos Electrónica Equipos

Metales procesados Alimentos procesados Vidrio, cerámicos Maquinaria pesada Papel Refinación de petróleo Farmacéutica Plásticos (formados) Instalaciones de generación de energía Editorial Textiles Neumáticos y caucho Madera y muebles

Recopilado en fuentes de datos disponibles acerca de la industria.

Terciaria (servicios) Banca Comunicaciones Educación Entretenimiento Servicios financieros Gobierno Salud y cuidados médicos Hotel Información

Seguros Legales Bienes raíces Reparaciones y mantenimiento Restaurantes Comercio al menudeo Turismo Transporte Comercio al mayoreo

4  CAPÍTULO 1  Introducción y panorama general de la manufactura

producción no se estudian en este texto (por ejemplo, las bebidas, los productos químicos y los alimentos procesados). En este libro, manufactura significa producción de hardware, que va desde tuercas y tornillos hasta computadoras digitales y armas. Se incluyen productos plásticos y cerámicos, pero se excluyen los productos de vestir, de papel, farmacéuticos, editoriales y de madera. Productos manufacturados  Los productos finales fabricados por las industrias se dividen en dos clases principales: bienes de consumo y bienes de capital. Los bienes de consumo son productos que los consumidores compran en forma directa, como autos, computadoras personales, televisores, neumáticos y raquetas de tenis, entre muchos otros. Los bienes de capital son aquellos que adquieren otras compañías para producir bienes y prestar servicios. Algunos ejemplos de bienes de capital incluyen aviones, computadoras, equipo de comunicaciones, aparatos médicos, camiones y autobuses, locomotoras de ferrocarril, máquinas-herramienta y equipos para construcción. La mayoría de estos bienes de capital son comprados por la industria de servicios. En la introducción se hizo notar que la manufactura aporta 12% del producto interno bruto y que los servicios significan más de 75% del PIB en Estados Unidos. Sin embargo, los bienes de capital manufacturados que adquiere el sector de servicios son los facilitadores de ese sector. Sin los bienes de capital, las industrias de servicios no podrían funcionar. Además de los productos finales, otros artículos manufacturados incluyen los materiales, componentes y suministros que emplean las compañías para fabricar los artículos terminados. Algunos ejemplos de ellos incluyen la lámina de acero, barras de acero, estampados metálicos, piezas maquinadas, plásticos moldeados y extruidos, herramientas de corte, dados, moldes y lubricantes. Así, las industrias manufactureras son una infraestructura compleja con categorías y niveles distintos de proveedores intermedios con quienes el consumidor final nunca tratará. Este libro estudia artículos específicos, piezas individuales y productos ensamblados, en lugar de aquellos producidos por procesos continuos. Un estampado metálico es un producto específico, pero el rollo de metal laminado del que se fabrica es continuo o semicontinuo. Muchas piezas específicas comienzan como productos continuos o semicontinuos, como las extrusiones o el cable eléctrico. Secciones grandes de longitudes casi continuas se cortan al tamaño deseado. Una refinería de petróleo es un ejemplo aún mejor del proceso continuo. Cantidad de producción y variedad de productos  La cantidad de productos elaborados por una fábrica tiene una influencia importante en la manera en que están organizados su personal, sus instalaciones y sus procedimientos. Las cantidades de producción anual se clasifican en tres categorías: 1) producción baja, en el rango de 1 a 100 unidades por año; 2) producción media, de 100 a 10 000 unidades anuales y 3) producción alta, de 10 000 a varios millones de unidades. Los límites de los tres rangos son un poco arbitrarias (a juicio del autor). En función de las clases de productos puede cambiar su orden de magnitud. La cantidad de producción se refiere al número de unidades de cierto tipo de producto que se producen en un año. Algunas plantas producen una variedad de productos distintos, cada uno de los cuales se hace en cantidades bajas o medias. Otras plantas se especializan en la producción alta de un solo tipo de producto. Es instructivo identificar la variedad de productos como parámetro distintivo de la cantidad de producción. La variedad de productos se refiere a los diseños o tipos distintos de productos que se producen en la planta. Productos diferentes tienen formas y tamaños diversos; desempeñan funciones distintas; se destinan a mercados distintos; algunos tienen más componentes que otros; y así sucesivamente. Es posible contar el número de tipos distintos de productos fabricados cada año. Cuando el número de tipos de productos de la fábrica es elevado, eso indica una variedad de productos alta. Existe una correlación inversa entre la variedad de productos y la cantidad de producción, en términos de las operaciones de la fábrica. Si la variedad de los productos de una fábrica es elevada, entonces es probable que su cantidad de producción sea baja; pero si la cantidad de producción es alta, entonces la variedad de productos será baja, como se ilustra con la banda diagonal en la figura 1.2. Aunque se ha identificado la variedad de productos como un parámetro cuantitativo (número de tipos diferentes de productos que hace la planta o la compañía), éste es mucho menos exacto que la cantidad de producción ya que los detalles en que difieren los diseños no se capturan sólo con

FIGURA 1.2  Relación entre la variedad de productos y la cantidad de producción en la manufactura de productos específicos. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

Variedad de productos

1.1  ¿Qué es la manufactura?   5

Baja Media Alta 1

102 104 106 Cantidad de producción

el número de diseños distintos. Las diferencias entre un automóvil y un acondicionador de aire son mucho mayores que entre este último y una bomba de calor. Dentro de cada tipo de producto existen diferencias entre modelos específicos. El grado de las diferencias del producto puede ser pequeño o grande, como en la industria automotriz. Cada una de las compañías automotrices de Estados Unidos de América produce dos o tres modelos de automóvil distintos en la misma planta de ensamblado, aunque los estilos de la carrocería y otras características del diseño son virtualmente las mismas. En plantas distintas, la compañía construye camiones pesados. Para describir dichas diferencias de la variedad de productos se utilizan los términos “suave” y “dura”. La variedad suave de productos ocurre cuando sólo existen diferencias pequeñas en la variedad de productos, como aquellas entre automóviles fabricados en la misma línea de producción. En un producto ensamblado, la variedad de productos se caracteriza por una proporción elevada de piezas comunes entre los modelos. La variedad dura de productos sucede cuando éstos varían en forma sustancial, y hay pocas piezas en común, o ninguna. La diferencia entre un automóvil y un camión de carga ilustra la variedad dura.

1.1.3  Capacidad de manufactura Una compañía dedicada a la manufactura no puede hacer todo. Debe hacer sólo ciertas cosas, y las debe hacer bien si quiere seguir siendo competitiva en la industria. La capacidad de manufactura se refiere a las limitaciones técnicas y físicas de una empresa de manufactura y cada una de sus plantas. Es posible identificar varias dimensiones de esta capacidad: 1) capacidad tecnológica de proceso, 2) tamaño físico y peso del producto y 3) capacidad de producción. Capacidad tecnológica de proceso  La capacidad tecnológica de proceso de una planta (o

compañía) es el conjunto de procesos de manufactura con que dispone. Ciertas plantas realizan operaciones de maquinado, otras convierten lingotes de acero en lámina, y unas más construyen automóviles. Una planta de maquinado no puede laminar acero, y una planta de laminación no puede fabricar autos. La característica subyacente que distingue a esas plantas son los procesos que pueden ejecutar. La capacidad tecnológica de procesamiento tiene una estrecha relación con el tipo de material. Ciertos procesos de manufactura se ajustan a determinados materiales, mientras que otros se adaptan a unos distintos. Al especializarse en determinado proceso o grupo de procesos, la planta se especializa en forma simultánea en ciertos tipos de materiales. Las capacidades tecnológicas de proceso incluyen no sólo los procesos físicos sino también la experiencia que tiene el personal de la planta en dichas tecnologías. Las compañías deben concentrarse en el diseño y la manufactura de productos que son compatibles con su capacidad tecnológica de proceso. Limitaciones físicas del producto  Un segundo aspecto de la capacidad de manufactura lo

impone el producto físico. Una planta con un conjunto dado de procesos está limitada en los términos del tamaño y el peso de los productos que pueden alojarse. Los productos grandes y pesados son difíciles de mover. Para hacerlo, la planta debe equiparse con grúas con la capacidad

6  CAPÍTULO 1  Introducción y panorama general de la manufactura

de carga requerida. Piezas y productos pequeños que se fabrican en cantidades grandes se trasladan por medio de bandas u otros medios. La limitante del tamaño y peso de un producto también se extiende a la capacidad física del equipo de manufactura. Las máquinas de producción tienen tamaños distintos. Las más grandes deben utilizarse para procesar piezas grandes. El equipo de producción y manejo de material debe planearse para los productos que están dentro de cierto rango de tamaño y peso. Capacidad de producción  Una tercera limitante de la capacidad de una planta de manufactura

es la cantidad de producción que puede obtenerse en un periodo específico (por ejemplo, un mes o un año). Es común llamar a dicha limitante de cantidad capacidad de planta, o capacidad de producción, y se define como la tasa máxima de producción que una planta puede alcanzar en condiciones previstas de operación. Estas condiciones se refieren al número de turnos por semana, horas por turno, niveles de la mano de obra directa, entre otros. Esos factores representan los insumos de la planta. Dados estos insumos, ¿cuál es la producción que puede generar la empresa? Por lo general, la capacidad de planta se mide en términos de las unidades producidas, como las toneladas de acero que produce al año una fundición, o el número de automóviles producido por una planta de ensamblado final. En estos casos, las producciones son homogéneas. En los casos en que las unidades de producción no son homogéneas, otros factores más apropiados de medición son las horas-hombre de capacidad productiva en un taller de maquinado que produce piezas diversas.

1.1.4  Los materiales en la manufactura La mayor parte de los materiales para ingeniería se clasifican en una de tres categorías básicas: 1) metales, 2) cerámicos y 3) polímeros. Sus características químicas son diferentes, sus propiedades mecánicas y físicas son distintas y afectan los procesos de manufactura susceptibles de emplearse para obtener productos de ellos. Además de las tres categorías básicas, hay 4) compósitos, mezclas no homogéneas de los otros tres tipos fundamentales. En esta sección se revisan brevemente estas cuatro categorías de materiales. En el capítulo 2 se cubren con más detalle. Metales  Los metales que se emplean en la manufactura por lo general son aleaciones, que están

compuestos de dos o más elementos, con al menos uno en forma metálica. Los metales y las aleaciones se dividen en dos grupos básicos: ferrosos y no ferrosos. Los metales ferrosos se basan en el hierro. El grupo incluye acero y hierro colado. Dichos metales constituyen el grupo comercial más importante, con más de las tres cuartas partes del peso total de los metales de todo el mundo. El hierro puro tiene un uso comercial limitado, pero cuando se mezcla con carbono tiene más usos y mayor valor comercial que cualquier otro metal. Las aleaciones de hierro y carbono forman acero y hierro colado. El acero se define como una aleación de hierro-carbono que contiene 0.02-2.11% de carbono. Es la categoría más importante dentro del grupo de metales ferrosos. Es frecuente que su composición incluya otros elementos de la aleación, como manganeso, cromo, níquel y molibdeno, para mejorar las propiedades del metal. Las aplicaciones del acero incluyen la construcción (por ejemplo, puentes, vigas tipo I y clavos), transporte (camiones, rieles y trenes) y productos de consumo (automóviles y aparatos electrodomésticos). El hierro colado es una aleación de fierro y carbono (2-4%) que se utiliza en la fundición (sobre todo en fundición en arena). El silicio también está presente en la aleación (en cantidades que van de 0.5 a 3%), y es frecuente que también se agreguen otros elementos para obtener propiedades deseables en la pieza fundida. El hierro colado se encuentra disponible en distintas formas, de las cuales la más común es el hierro colado gris; sus aplicaciones incluyen bloques y cabezas para motores de combustión interna. Los metales no ferrosos incluyen los demás elementos metálicos y sus aleaciones. En casi todos los casos, las aleaciones tienen más importancia comercial que los metales puros. Los metales no ferrosos incluyen los metales puros y aleaciones de aluminio, cobre, oro, magnesio, níquel, plata, estaño, titanio, zinc y otros metales.

1.1  ¿Qué es la manufactura?   7

Cerámicos  Un cerámico se define como un compuesto que contiene elementos metálicos (o semimetálicos) y no metálicos. Los elementos no metálicos comunes son oxígeno, nitrógeno y carbono. Los cerámicos incluyen una variedad de materiales tradicionales y modernos. Los productos cerámicos tradicionales, algunos de los cuales se han utilizado durante miles de años, incluyen: arcilla (se dispone de ella en abundancia, y consiste en partículas finas de silicatos de aluminio hidratados y otros minerales que se utilizan en la fabricación de ladrillos, baldosas y vajillas), sílice (es la base para casi todos los productos de vidrio), alúmina y carburo de silicio (dos materiales abrasivos que se emplean en el rectificado). Los cerámicos modernos incluyen algunos de los materiales anteriores, como la alúmina, cuyas propiedades se mejoran de varios modos mediante métodos modernos de procesamiento. Los más nuevos incluyen carburos; los carburos metálicos, como el carburo de tungsteno y el de titanio, se emplean mucho como materiales para herramientas de corte. Los nitruros, como los metálicos y semimetálicos (nitruro de titanio y de boro) se utilizan como herramientas de corte y abrasivos para rectificar. Con fines de procesamiento, los cerámicos se dividen en cerámicos cristalinos y vidrios. Para cada tipo se requieren diferentes métodos de manufactura. Los cerámicos cristalinos se forman de distintas maneras a partir de polvos que después se calientan (a una temperatura inferior del punto de fusión a fin de lograr la unión entre los polvos). Los cerámicos vidriados (vidrio, sobre todo) se funden para después formarse en procesos como el vidrio soplado tradicional. Polímeros  Un polímero es un compuesto formado por unidades estructurales repetidas deno-

minadas meros, cuyos átomos comparten electrones que forman moléculas muy grandes. Por lo general, los polímeros consisten en carbono más uno o más elementos como hidrógeno, nitrógeno, oxígeno y cloro. Los polímeros se dividen en tres categorías: 1) polímeros termoplásticos o termovariables, 2) polímeros termoestables o termofijos y 3) elastómeros. Los polímeros termoplásticos pueden sujetarse a ciclos múltiples de calentamiento y enfriamiento sin que se altere en forma sustancial la estructura molecular del polímero. Los termoplásticos comunes incluyen polietileno, poliestireno, cloruro de polivinilo y nylon. Los polímeros termofijos sufren una transformación química (curado) hacia una estructura rígida después de haberse enfriado a partir de una condición plástica calentada, de ahí el nombre de “termofijos”. Los miembros de este tipo incluyen los fenoles, resinas amino y epóxicas. Aunque se emplea el nombre “termofijos”, algunos de dichos polímeros se curan por medio de mecanismos distintos del calentamiento. Los elastómeros son polímeros que muestran un comportamiento muy elástico, de ahí su nombre. Incluyen el hule natural, neopreno, silicio y poliuretano. Compósitos  Los compósitos no constituyen en realidad una categoría separada de materiales;

son mezclas de los otros tres tipos. Un compósito es un material que consiste en dos o más fases que se procesan por separado y luego se unen para lograr propiedades superiores a las de sus constituyentes. El término fase se refiere a una masa homogénea de material, tal como la agregación de granos de estructura celular idéntica y unitaria en un metal sólido. La estructura usual de un compósito consiste en partículas o triquitas (fibras) de una fase mezclada en una segunda que se denomina matriz. Los compósitos se encuentran en la naturaleza (por ejemplo, madera) y pueden producirse en forma sintética. El tipo sintetizado es de mayor interés aquí e incluye triquitas de vidrio en una matriz de polímero (por ejemplo, triquitas reforzadas de plástico), triquitas de polímero de un tipo en una matriz de un segundo polímero (como un compósito epóxico de Kevlar) y un cerámico en una matriz metálica (como carburo de tungsteno en una sustancia aglutinante de cobalto para formar una herramienta de corte a base de carburo cementado). Las propiedades de un compósito dependen de sus componentes, las formas físicas de éstos y la manera en que se combinan para formar el material final. Algunos compósitos combinan una resistencia elevada con poco peso, y son apropiados para aplicarlos en componentes aeronáuticos, carrocerías de automóviles, cascos de barcos, raquetas de tenis y cañas de pescar. Otros compósitos son fuertes, duros y capaces de conservar dichas propiedades a temperaturas elevadas (por ejemplo, las herramientas cortadoras de carburo cementado).

8  CAPÍTULO 1  Introducción y panorama general de la manufactura

1.2  Procesos de manufactura Un proceso de manufactura es un procedimiento diseñado que resulta en un cambio físico y/o químico de un material de trabajo inicial con la intención de aumentar el valor de dicho material. Por lo general, un proceso de manufactura se realiza como una operación unitaria, lo que significa que se trata de un solo paso en la secuencia de pasos necesarios para transformar el material inicial en un producto final. Usualmente, se ejecuta una operación unitaria sobre una sola pieza del equipo, que funciona en forma independiente de las otras operaciones en la planta. Las operaciones de manufactura se dividen en dos tipos básicos: 1) las operaciones de proceso y 2) las de ensamblado. Una operación de proceso hace que un material de trabajo pase de un estado de acabado a otro más avanzado que está más cerca del producto final que se desea. Se agrega valor cambiando la geometría, las propiedades o la apariencia del material de inicio. En general, las operaciones de proceso se ejecutan sobre partes específicas, pero ciertas operaciones de procesamiento también son aplicables a artículos ensamblados (por ejemplo, la pintura de la carrocería de un automóvil). Una operación de ensamblado une dos o más componentes a fin de crear una entidad nueva, llamada ensamble, subensamble o algún otro término que se refiera al proceso de unión (por ejemplo, un ensamble soldado se denomina soldadura). En la figura 1.3 se presenta una clasificación de procesos de manufactura.

1.2.1  Operaciones de proceso Una operación de proceso utiliza energía para modificar la forma, las propiedades físicas o la apariencia de una pieza a fin de agregar valor al material. Las formas de la energía incluyen la mecánica, térmica, eléctrica y química. La energía se aplica en forma controlada por medio de maquinaria y herramientas. También se requiere de la energía humana, pero los trabajadores se emplean por lo general para controlar las máquinas, supervisar las operaciones y cargar y descargar las piezas antes y después de cada ciclo de operación. En la figura 1.1a) se ilustra un modelo general de operaciones de proceso. El material alimenta al proceso, las máquinas y herramientas aplican energía para transformar el material, y la pieza terminada sale del proceso. La mayoría de las operaciones de producción generan desperdicios o sobrantes, ya sea como un aspecto natural del proceso (por ejemplo, remoción de material, como en el maquinado) o en forma de piezas defectuosas ocasionales. Un objetivo importante de la manufactura es reducir el desperdicio en cualquiera de esas formas. Por lo general, se requiere más de una operación de proceso para transformar el material de inicio a su forma final. Las operaciones se llevan a cabo en la secuencia particular que se requiere para alcanzar la geometría y condición definidas por las especificaciones del diseño. Se distinguen tres tipos generales de operaciones de proceso: 1) operaciones de formado, 2) operaciones de mejoramiento de una propiedad y 3) operaciones de proceso de superficies. Las operaciones de formado alteran la geometría del material inicial de trabajo por medio de varios métodos. Los procesos comunes de formado incluyen la fundición, la forja y el maquinado. Las operaciones de mejoramiento de una propiedad agregan valor al material con la mejora de sus propiedades físicas sin cambio de la forma. El ejemplo más común es el tratamiento térmico. Las operaciones de proceso de superficies se ejecutan para limpiar, tratar, recubrir o depositar material sobre la superficie exterior del trabajo. Ejemplos comunes del recubrimiento son el cromado y el pintado. Procesos de formado  La mayoría de los procesos de formado aplican calor o fuerzas mecáni-

cas, o una combinación de ambas, para que surtan un efecto en la geometría del material de trabajo. Hay varias maneras de clasificar los procesos de formado. La clasificación que se utiliza en este libro se basa en el estado del material de inicio y tiene cuatro categorías: 1) procesos de solidificación, en los que el material con que se comienza es un líquido calentado o semifluido que se enfría y solidifica para formar la geometría de la pieza; 2) procesamiento de partículas o metalurgia de polvos, en los que los materiales de inicio son polvos, que se forman y calientan con la geometría deseada; 3) procesos de deformación, en los que el material con que se comien-

1.2  Procesos de manufactura   9

Procesos de solidificación Procesos de formado

Operaciones de proceso

Procesos de deformación Remoción de materiales

Procesos de mejora de propiedades Operaciones de proceso de superficies

Procesos de manufactura

Procesamiento de partículas

Tratamiento térmico Limpieza y tratamiento de superficies Recubrimiento y procesos de deposición Soldadura autógena

Procesos de unión permanente

Soldadura fuerte y soldadura blanda Unión mediante adhesivos

Operaciones de ensamble Ensamble mecánico

Dispositivos roscados Métodos de unión permanente

FIGURA 1.3  Clasificación de los procesos de manufactura. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

za es un sólido dúctil (metal, por lo común) que se deforma para crear la pieza, y 4) procesos de remoción de material, en los que el material de inicio es un sólido (dúctil o frágil), a partir del cual se retira material de modo que la pieza resultante tenga la geometría que se busca. En la primera categoría, el material de inicio se calienta lo suficiente para transformarlo a un líquido o a un estado altamente plástico (semifluido). Casi todos los materiales se pueden procesar de esta manera. Los metales, vidrios cerámicos y plásticos pueden calentarse a temperaturas suficientemente elevadas para convertirlos en líquidos. El material en forma líquida o semifluida se vacía o se le fuerza para que fluya en una cavidad llamada molde, donde se enfría hasta la solidificación, con lo que adquiere la forma del molde. La mayoría de procesos que operan de esta manera se denominan fundición o moldeado. Fundición es el término que se emplea para los metales, y moldeado es el nombre común usado para plásticos. En la figura 1.4 se ilustra esta categoría de procesos de formado. En la metalurgia de polvos, el material de inicio son polvos metálicos o cerámicos. Aunque estos dos materiales son muy diferentes, los procesos para darles forma a partir de la metalurgia de polvos son muy similares. La técnica común involucra la presión y el sinterizado, que se ilustran en la figura 1.5, en las que los polvos primero se fuerzan hacia una cavidad llamada matriz o dado a una gran presión, y después se calientan para unir las partículas individuales. En los procesos de deformación, la pieza inicial que se trabaja se conforma por medio de la aplicación de fuerzas que exceden la resistencia del material. Para que el material se forme de este modo, debe ser suficientemente dúctil para evitar que se fracture durante la deformación. Para incrementar su ductilidad (y por otras razones) es común que antes de darle forma el material de trabajo se caliente hasta una temperatura por debajo del punto de fusión. Los procesos de

10  CAPÍTULO 1  Introducción y panorama general de la manufactura

Cuchara de vaciado Bebedero y vena de alimentación (se recortan)

Metal fundido Vertedero

Línea de partición

Pieza fundida sólida

Molde (de arena) 2)

1)

FIGURA 1.4  Los procesos de fundición y moldeado comienzan con un material de trabajo calentado hasta alcanzar un estado fluido o semifluido. Los procesos consisten en 1) vaciar el fluido en un molde y 2) permitir que el fluido se enfríe hasta solidificarse, después de lo cual la pieza sólida se retira del molde. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

deformación se asocian mucho con el trabajo de los metales, e incluyen operaciones como el forjado y la extrusión, que se ilustran en la figura 1.6. Los procesos de remoción de material son operaciones que retiran el exceso de material de la pieza de trabajo con que se inicia, de modo que la forma que resulta tiene la geometría buscada. Los procesos más importantes de esta categoría son las operaciones de maquinado, como torneado, taladrado y fresado, que se muestran en la figura 1.7. Estas operaciones de corte se aplican más comúnmente a metales sólidos y se llevan a cabo con el empleo de herramientas de corte más duras y fuertes que el metal de trabajo. Otro proceso común de esta categoría es el rectificado. Otros procesos de remoción de material se conocen como no tradicionales debido a que utilizan láser, haces de electrones, erosión química, descargas eléctricas o energía electroquímica para retirar el material, en vez de herramientas de corte o rectificado. Cuando una pieza inicial de trabajo se transforma en una geometría subsecuente, es deseable minimizar el desperdicio y los desechos. Ciertos procesos de conformación son más eficientes que otros, en términos de conservación del material. Los procesos de remoción de materiales (por ejemplo, el maquinado) tienden a desperdiciar material, tan sólo por la forma en que operan. El

Fuerza Punzón superior

Dado

1)

Punzón inferior

3)

Pieza de trabajo, durante el sinterizado

Fuerza 2) FIGURA 1.5  Metalurgia de polvos 1) el material de inicio es un polvo; el proceso usual consiste en 2) presionar y 3) sinterizar. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

1.2  Procesos de manufactura   11

Sección transversal extruida

Cámara

v, F

Ariete de presión

Forja Dado Rebaba (para ser recortada)

v, F

v Dado sal

Dado Material en bruto b)

a)

FIGURA 1.6  Algunos procesos de deformación comunes: a) forjado, en los que dos herramentales llamados dados comprimen la pieza de trabajo, lo que ocasiona que adopte la forma de los dos dados; y b) extrusión, en la que se fuerza el material en bruto a fluir a través de un dado, por lo que adopta la sección transversal del orificio. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

material que se retira de la forma inicial se desperdicia, al menos en lo referente a la operación unitaria. Otros procesos, como ciertas operaciones de fundición y moldeado, con frecuencia convierten casi 100% del material con que se comienza en el producto final. Los procesos de manufactura que transforman casi todo el material de inicio en el producto, y no requieren maquinado posterior para alcanzar la geometría definitiva de la pieza, se llaman procesos de forma final. Otros procesos que requieren de un maquinado mínimo para producir la forma final reciben el nombre de procesos de forma casi final. Procesos de mejoramiento de una propiedad  El segundo tipo general de proceso de una

pieza se lleva a cabo para mejorar las propiedades mecánicas o físicas del material de trabajo. Estos procesos no alteran la forma de la pieza, salvo de manera accidental en algunos casos. Los procesos más importantes de mejoramiento de una propiedad involucran los tratamientos térmicos, que incluyen varios procesos de recocido y templado de metales y vidrios. El sinterizado de metales y cerámicos pulverizados, que se mencionó antes, también es un tratamiento a base de calor que aglutina una pieza de metal pulverizado y comprimido. Procesamiento de superficies  Las operaciones de procesamiento de superficies incluyen 1) limpieza, 2) tratamientos de una superficie y 3) procesos de recubrimiento y deposición de una

Pieza de trabajo

Diámetro Diámetro final, inicial Viruta después del torneado

Rotación Avance

Rotación (pieza de trabajo)

Broca Pieza de trabajo Cortador de punto sencillo

Avance de la herramienta a)

Rotación

Fresa de corte

Material removido

Pieza de Trabajo

Barreno

Avance b)

c)

FIGURA 1.7  Operaciones comunes de maquinado: a) torneado, en el que una herramienta de corte de un filo retira metal de una pieza de trabajo que gira, a fin de reducir su diámetro; b) taladrado, en la que una broca en rotación avanza dentro de la pieza de trabajo, con lo que crea un barreno redondo, y c) fresado, en la que una pieza de trabajo se hace avanzar hacia un cortador giratorio con filos múltiples. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

12  CAPÍTULO 1  Introducción y panorama general de la manufactura

película (capa) delgada. La limpieza incluye procesos tanto químicos como mecánicos para retirar de la superficie suciedad, aceite y otros contaminantes. Los tratamientos de superficies incluyen trabajos mecánicos como granallado y chorro de arena, así como procesos físicos como difusión e implantación de iones. Los procesos de recubrimiento y deposición de una película delgada aplican una capa de material a la superficie exterior de la pieza que se trabaja. Los procesos comunes de recubrimiento incluyen la galvanoplastia y anodización del aluminio, y el recubrimiento orgánico (llamado pintado). Los procesos de deposición de película incluyen la deposición física y química de vapor (PVD, QVD), a fin de formar recubrimientos de varias sustancias delgadas en extremo.

1.2.2  Operaciones de ensamble El segundo tipo básico de operaciones de manufactura es el ensamble, en el que dos o más piezas separadas se unen para formar una entidad nueva. Dichos componentes se conectan ya sea en forma permanente o semipermanente. Los procesos de unión permanente incluyen la soldadura autógena, soldadura fuerte, soldadura blanda y unión mediante adhesivos. Forman una unión de componentes que no puede separarse con facilidad. Existen ciertos métodos de ensamblado mecánico para sujetar dos (o más) partes en una pieza que se puede desarmar a conveniencia. El uso de tornillos, remaches y otros sujetadores mecánicos son métodos tradicionales importantes de esta categoría. Otras técnicas de ensamblado mecánico forman una conexión permanente; éstas incluyen los remaches, ajustes de presión y ajustes de expansión.

1.2.3  Máquinas de producción y herramientas Las operaciones de manufactura se llevan a cabo con el uso de maquinaria y herramienta (y personas). El empleo extenso de maquinaria en la manufactura comenzó con la Revolución Industrial. Fue en esa época que las máquinas cortadoras de metal se desarrollaron y comenzaron a utilizarse en forma amplia. Recibían el nombre de máquinas herramienta, que eran máquinas impulsadas por energía para operar herramientas de corte que antes se usaban con las manos. Las máquinas herramienta modernas se describen con la misma definición básica, excepto que la energía es eléctrica en lugar de hidráulica o del vapor, y su nivel de precisión y automatización es mucho mayor hoy día. Las máquinas herramienta están entre las más versátiles de todas las que se aplican en la producción. Se emplean no sólo para hacer piezas de productos para el consumidor, sino también para elaborar componentes para otras máquinas de la producción. Tanto en un sentido histórico como de reproducción, la máquina herramienta es la madre de toda la maquinaria. Otras máquinas para la producción incluyen prensas para las operaciones de estampado, martillo de forja para forjar, laminadoras para fabricar lámina metálica, máquinas soldadoras para soldar y máquinas de inserción para insertar componentes electrónicos en tarjetas de circuitos impresos. Por lo general, el nombre del equipo antecede al nombre del proceso. El equipo de producción puede ser de propósito general o especial. El equipo de propósito general es más versátil y adaptable a una variedad de trabajos. Se halla disponible en el comercio para cualquier compañía manufacturera que quiera invertir en él. El equipo de propósito especial por lo general está diseñado para producir una pieza o un producto específico en cantidades muy grandes. La economía de la producción en masa justifica las grandes inversiones en maquinaria de propósito especial a fin de alcanzar eficiencias elevadas en ciclos cortos de tiempo. Ésta no es la única razón de ser del equipo de propósito especial, pero es la principal. Otra razón es que el proceso puede ser único y el equipo comercial no se encuentre disponible. Algunas compañías con requerimientos únicos de proceso desarrollan su propio equipo de propósito especial. Por lo general, la maquinaria de producción requiere herramientas que se integren en el equipo para el trabajo de la pieza o producto en particular. En muchos casos, el herramental debe diseñarse específicamente para la configuración de la pieza o producto. Cuando se utiliza con equipo de propósito general, está diseñada para ser intercambiable. Las herramientas se sujetan a la máquina para cada tipo de producto y se fabrica el volumen de producción. Al terminar, se

1.3  Organización del libro   13

TABLA 1.3  Equipo de producción y las herramientas que se emplean para varios procesos de manufactura Proceso

Equipo

Herramientas especiales (función)

Fundición Moldeado Laminado (rolado) Forjado Extrusión Estampado Maquinado Rectificado Soldadura

a

Molde (cavidad para metal fundido) Molde (cavidad para polímeros calientes) Rodillo (reduce espesor de la pieza) Dado o matriz (comprime la pieza para darle forma) Dado de extrusión (reduce la sección transversal) Matrices y punzones (corte y conformación de lámina metálica) Herramienta de corte (remoción de material) Sujetador (sujeta la pieza de trabajo) Guía (sujeta la pieza y guía la herramienta) Piedra de rectificado (remoción de material) Electrodo (funde el metal que se trabaja) Sujetador (sujeta las piezas durante la soldadura)

Máquina de moldeado Laminadora Martillo o prensa de forja Prensa Prensa Máquina herramienta Rectificadora Soldadora

Recopilado en fuentes de datos disponibles acerca de la producción. a Tipos distintos de dispositivos y equipos para fundir (véase el capítulo 11).

cambian las herramientas para el siguiente tipo de producto por trabajar. Cuando se emplean con máquinas de propósito especial, es frecuente que las herramientas estén diseñadas como parte integral de la máquina. Debido a que es probable que para la producción en masa se empleen máquinas de propósito especial, las herramientas quizá nunca cambien, excepto para reemplazar componentes usados o reparar superficies desgastadas. El tipo de herramientas depende del tipo de proceso de manufactura. En la tabla 1.3 se listan ejemplos de herramientas especiales que se emplean en operaciones diversas. Los detalles se dan en los capítulos en que se estudian los procesos respectivos.

1.3  Organización del libro La sección 1.2 proporciona una introducción a los procesos de manufactura que se tratan en este libro. Los 29 capítulos restantes se organizan en nueve partes. La parte I, titulada “Ingeniería de materiales y atributos del producto”, consta de tres capítulos. En los capítulos 2 y 3 se analizan las categorías importantes y las propiedades de los materiales que se utilizan en los procesos estudiados en el libro. El capítulo 4 ofrece un análisis de las especificaciones del producto, es decir, las dimensiones, las tolerancias y la caracterización superficial. Se incluye un apéndice sobre la medición de estos atributos. La mayoría de los procesos y operaciones incluidas en el presente texto se identifican en la figura 1.3. La segunda parte comienza con la cobertura de las cuatro categorías de procesos de formado. La parte II consta de cinco capítulos sobre los procesos de solidificación que incluyen la fundición de metales, el trabajo con vidrio y el formado de polímeros. En la parte III se cubre el tratamiento de partículas con metales y cerámicos en dos capítulos. La parte IV incluye tres capítulos que se ocupan de los procesos de deformación de los metales, como el laminado, el forjado, el extruido y el trabajo con láminas metálicas. Por último, la parte V examina los procesos de remoción de material. Tres capítulos están dedicados al maquinado convencional y dos a la cobertura del rectificado y las tecnologías de eliminación de material no tradicionales. Las otras operaciones de procesamiento, de mejora de las propiedades (tratamiento térmico) y de tratamiento superficial (por ejemplo, la limpieza, el galvanizado y la pintura) se tratan en dos capítulos en la parte VI. Los procesos de unión y ensamble se consideran en la parte VII, la cual está organizada en cuatro capítulos de soldadura con arco, soldadura dura, soldadura suave, pegado adhesivo y ensamble mecánico.

14  CAPÍTULO 1  Introducción y panorama general de la manufactura

En la parte VIII, titulada “Tratamientos especiales y tecnologías de ensamble”, se tratan varios procesos únicos que no entran en el esquema de clasificación de la figura 1.3. Sus dos capítulos cubren la creación rápida de prototipos, la microfabricación y la nanofabricación. La parte IX incluye tres capítulos sobre temas relacionados con los sistemas de manufactura. Estos temas se pueden dividir en dos categorías: 1) las tecnologías y equipos que se encuentran en la fábrica y que realizan las operaciones de fabricación y 2) los sistemas de apoyo a la manufactura, como la planeación de procesos y el control de calidad.

Referencias   [1] Black, J. y Kohser, R. DeGarmo’s Materials and Processes in Manufacturing, 10a. ed. John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey, 2008.  [2] Flinn, R. A. y Trojan, P. K. Engineering Materials and Their Applications, 5a. ed. John Wiley & Sons, Inc., Nueva York, 1995.

  [3] Groover, M. P. Automation, Production Systems, and Computer Integrated Manufacturing, 3a. ed. Pearson PrenticeHall, Upper Saddle River, New Jersey, 2008.   [4] Kalpakjian, S. y Schmid S. R. Manufacturing Processes for Engineering Materials, 6a. ed. Pearson Prentice Hall, Upper Saddle River, New Jersey, 2010.

Preguntas de repaso  1.1. ¿Qué porcentaje aproximado del producto interno bruto (PIB) de Estados Unidos es aportado por las industrias de manufactura?   1.2. Defina manufactura.  1.3. De las siguientes clasificaciones de la industria, ¿cuál se considera parte de las industrias manufactureras?: a) primaria, b) secundaria o c) terciaria.   1.4. ¿Cuál es la diferencia entre un bien de consumo y un bien de capital? Dé algunos ejemplos de cada categoría.   1.5. ¿Cuál es la diferencia entre la variedad de productos suave y la variedad de productos dura, según se definieron estos términos en el texto?   1.6. Una de las dimensiones de la capacidad de manufactura es la capacidad tecnológica de proceso. Defina la capacidad tecnológica de proceso.   1.7. ¿Cuáles son las cuatro categorías de los materiales de ingeniería utilizados en la manufactura?   1.8. ¿Cuál es la definición del acero?   1.9. ¿Cuáles son algunas de las aplicaciones típicas del acero?

  1.10. ¿Cuál es la diferencia entre un polímero termoplástico y un polímero termofijo?   1.11. Por lo general, los procesos de manufactura se realizan como operaciones unitarias. Defina operación unitaria.   1.12. En los procesos de manufactura, ¿cuál es la diferencia entre una operación de proceso y una operación de ensamble?   1.13. Uno de los tres tipos generales de las operaciones de proceso es la operación de formado, que se utiliza para crear o modificar la geometría de una pieza de trabajo. ¿Cuáles son los cuatro tipos de operaciones de formado?   1.14. ¿Cuál es la diferencia entre los procesos de formado final y los procesos de formado casi final?   1.15. Identifique los cuatro tipos de procesos de unión permanente usados en el ensamble.   1.16. ¿Qué es una máquina herramienta?  1.17. ¿Cuál es la diferencia entre el equipo de producción de propósito especial y de uso general?

PARTE I

Materiales en la ingeniería y atributos del producto

2

Materiales en la ingeniería

CONTENIDO DEL CAPÍTULO 2.1

Metales y sus aleaciones 2.1.1 Aceros 2.1.2 Hierros fundidos 2.1.3 Metales no ferrosos 2.1.4 Superaleaciones 2.2 Cerámicos 2.2.1 Cerámicos tradicionales 2.2.2 Nuevos materiales cerámicos 2.2.3 Vidrio

2.3 Polímeros 2.3.1 Polímeros termoplásticos 2.3.2 Polímeros termofijos 2.3.3 Elastómeros 2.4 Compósitos* 2.4.1 Tecnología y clasificación de los materiales compósitos 2.4.2 Materiales compósitos

En el capítulo 1 se definió la manufactura como un proceso de transformación. Es el material lo que se transforma, y lo que determina el éxito de la operación es cómo se comporta éste cuando cumple con los requerimientos de resistencia a fuerzas, temperaturas y otros parámetros físicos particulares. Se observa que algunos materiales responden bien a ciertos tipos de procesos de manufactura, y mal, o nada, a otros. ¿Cuáles son las características y propiedades de los materiales que determinan su capacidad para transformarse mediante procesos diferentes? La parte I de este libro consta de tres capítulos que abordan esta pregunta y los aspectos que se relacionan con ella. En el presente capítulo se analizan los cuatro tipos de materiales de la ingeniería que se utilizan en los procesos de manufactura y que están cubiertos por los capítulos restantes del libro. Los cuatro tipos son 1) metales, 2) cerámicos, 3) polímeros y 4) compósitos. En el capítulo 3 se estudian las propiedades mecánicas y físicas de estos materiales que son relevantes en la manufactura. Por supuesto, estas propiedades también son importantes en el diseño del producto. El capítulo 4 se refiere a ciertos atributos de las piezas y los productos que se especifican en el diseño del producto y que se logran en la manufactura: dimensiones, tolerancias y acabado superficial. El apéndice del capítulo 4 describe la forma en que se miden estos atributos.

* Nota del RT. Se conocen también como materiales compuestos. Sin embargo, por lo general se adopta el anglicanismo compósito, proveniente del término composite.

16  CAPÍTULO 2  Materiales en la ingeniería

2.1  Metales y sus aleaciones Los metales son los materiales más importantes en la ingeniería. Un metal es una categoría de materiales que se caracterizan generalmente por tener propiedades de ductilidad, maleabilidad, lustre y elevada conductividad eléctrica y térmica. La categoría incluye tanto a elementos metálicos como a sus aleaciones. Los metales tienen propiedades que satisfacen una variedad amplia de requerimientos de diseño. Los procesos de manufactura con los que se les transforma en productos han sido creados y mejorados a lo largo de muchos años. La importancia tecnológica y comercial de los metales se debe a las propiedades generales siguientes, que poseen virtualmente todos los metales comunes: • Rigidez y resistencia elevadas. Los metales pueden alearse para darles rigidez, resistencia y dureza elevadas; se les utiliza para que proporcionen el marco estructural para la mayoría de los productos de la ingeniería. • Tenacidad. Los metales tienen la capacidad de absorber energía mejor que otras clases de materiales. • Conductividad eléctrica buena. Los metales son conductores debido a su enlace metálico, que permite el movimiento libre de los electrones como transportadores de carga. • Conductividad térmica buena. Los enlaces metálicos también explican por qué los metales generalmente conducen el calor mejor que los cerámicos y los polímeros. Además, ciertos metales tienen propiedades específicas que los hacen atractivos para aplicaciones especializadas. Muchos metales comunes se hallan disponibles a un costo relativamente bajo por peso unitario, y sólo por esta razón con frecuencia son el material seleccionado. Aunque ciertos metales son importantes como metales puros (por ejemplo, oro, plata, cobre), la mayor parte de las aplicaciones de ingeniería requiere de las propiedades mejoradas que se obtienen con la aleación. Una aleación es un metal compuesto de dos o más elementos, al menos uno de los cuales es metálico. Mediante las aleaciones es posible mejorar la resistencia, la dureza y otras propiedades en comparación con los metales puros. Las propiedades mecánicas de los metales pueden alterarse mediante el tratamiento térmico, el cual se refiere a varios tipos de ciclos de calentamiento y enfriamiento ejecutados sobre un metal a fin de cambiar sus propiedades en forma benéfica. Estos ciclos alteran la microestructura básica del metal, que a su vez determina las propiedades mecánicas. Algunas operaciones de tratamiento térmico son aplicables sólo a algunos tipos de metales; por ejemplo, el tratamiento térmico del acero para formar martensita está especializado de cierta forma, puesto que la martensita sólo puede ser de acero. Los tratamientos térmicos para los metales se analizan en el capítulo 20. Los metales se convierten en piezas y productos que conllevan una variedad de procesos de manufactura. La forma inicial de los metales difiere, lo que depende del proceso. Las categorías principales son: 1) metal fundido, en la que la forma inicial es una pieza fundida; 2) metal forjado, en la que el metal ha sido trabajado o puede serlo (por ejemplo, rolado u otro modo de darle forma) después de la fundición; en general, en comparación con los fundidos, a los metales forjados se les asocian propiedades mecánicas mejores, y 3) metal pulverizado, en la que el metal es adquirido en forma de polvos muy finos para convertirlo en piezas por medio de técnicas metalúrgicas especiales para ello. La mayoría de los metales se encuentra disponible en las tres formas. En este capítulo, el estudio se centrará en las categorías 1) y 2), que son las de un mayor interés comercial y para la ingeniería. En el capítulo 10 se examinan las técnicas metalúrgicas para polvos. Los metales se clasifican en dos grupos principales: 1) ferrosos, los que se basan en el hierro, y 2) no ferrosos, todos los demás. El grupo de los ferrosos puede subdividirse en aceros y tipos de hierro fundido. Nuestro análisis en la sección presente se organiza en cuatro temas: 1) aceros, 2) hierros fundidos, 3) metales no ferrosos y 4) superaleaciones. Las superaleaciones incluyen a los metales de alto desempeño que pueden ser ferrosos o no ferrosos.

2.1  Metales y sus aleaciones   17

2.1.1 Aceros El acero es una de las dos categorías de las aleaciones ferrosas, que se basan en el hierro (Fe). La otra es el hierro fundido (sección 2.1.2). Juntas constituyen aproximadamente 85% del tonelaje en metales de Estados Unidos [10]. Nuestro análisis comenzará con los metales ferrosos examinando el diagrama de fase del hierro-carbono, que se muestra en la figura 2.1. El hierro puro se funde a 1 539 °C (2 802 °F). Durante la elevación de la temperatura a partir de la del ambiente, pasa por varias transformaciones de fase sólida, como se aprecia en el diagrama. Al comenzar a temperatura ambiente la fase es alfa (α), también llamada ferrita. A 912 °C (1 674 °F), la ferrita se transforma en gamma (γ), denominada austenita. Ésta, a su vez, se convierte en delta (δ) a 1 394 °C (2 541 °F), en la que permanece hasta que se funde. Los límites de solubilidad del carbono en el hierro son bajos en la fase de ferrita, sólo cerca de 0.022% a 723 °C (1 333 °F). En la de austenita puede disolverse cerca de 2.1% de carbono a una temperatura de 1 130 °C (2 066 °F). Esta diferencia de solubilidades entre la alfa y la gamma origina oportunidades para dar resistencia por medio de tratamiento térmico, pero eso se deja para el capítulo 20. Aun sin tratamiento térmico, la resistencia del hierro se incrementa en forma impresionante conforme aumenta el contenido de otro carbono, y se ingresa a la región en la que el metal toma el nombre de acero. Con más precisión, el acero se define como una aleación de hierro-carbono que contiene entre 0.02 y 2.11% de carbono.1 La mayoría de los aceros tienen 0.05 y 1.1% de carbono. Además de las fases mencionadas, otra fase es notable en el sistema de la aleación hierrocarbono. Ésta es la del Fe3C, también llamada de cementita, que es una fase intermedia: un compuesto metálico de hierro y carbono que es duro y frágil. A temperatura ambiente y en condiciones de equilibrio, las aleaciones de hierro-carbono forman un sistema de dos fases con niveles de carbono apenas por arriba de cero. El contenido de carbono de los aceros varía entre esos niveles bajos y cerca de 2.1%. Por arriba de 2.1% de C y hasta 4 o 5%, la aleación se define como hierro fundido.

1 800

3 200

Líquida (L)

δ

2 800

γ 1 000

1

L + Fe3C 2 000

1 130 °C (2 066 °F)

α +γ

α

γ + Fe3C Sólida

A1

723°C (1 333 °F)

600 FIGURA 2.1  Diagrama de fase para el sistema hierro-carbono, hasta 6% de carbono. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

2 400

γ +L

1 200 800

α + Fe3C Sólida

400

200 0 Fe

1 600

Temperatura, °F

Temperatura, °C

1 400

1

2

3

4

5

Porcentaje de carbono (C)

6

C

Ésta es la definición convencional de acero, pero existen excepciones. Un acero desarrollado recientemente para formar hojas metálicas, llamado acero libre de intersticios, tiene un contenido de carbono de sólo 0.005%.

18  CAPÍTULO 2  Materiales en la ingeniería

Con frecuencia el acero incluye otros elementos de aleación, como manganeso, cromo, níquel y molibdeno; pero es el contenido de carbono lo que convierte al hierro en acero. Existen cientos de composiciones de acero disponibles en el comercio. Aquí, para propósitos de organización, la gran mayoría de aceros comercialmente importantes se agrupan en las categorías siguientes: 1) aceros al carbono, 2) aceros de baja aleación, 3) aceros inoxidables y 4) aceros grado herramienta. Aceros al carbono  Estos aceros contienen carbono como elemento principal de la aleación, y sólo pequeñas cantidades de otros elementos, aproximadamente 0.4% de manganeso más cantidades menores de silicio, fósforo y azufre. La resistencia de los aceros al carbono se incrementa con el contenido de éste; en la figura 2.2 se presenta una gráfica común de esa relación. Como puede verse en la figura 2.1, el acero a temperatura ambiente es una mezcla de ferrita (α) y cementita (Fe3C). Las partículas de cementita distribuidas a través de la ferrita actúan como barreras contra la deformación; una mayor cantidad de carbono conduce a más barreras, y más barreras implican un acero más resistente y más duro. De acuerdo con un esquema de nomenclatura creado por el American Iron and Steel Institute (AISI) y la Society of Automotive Engineers (SAE), los aceros al carbono se especifican por medio de un sistema numérico de cuatro dígitos: 10XX, donde el 10 indica que el acero es al carbono, y XX señala el porcentaje de carbono en centésimas de puntos porcentuales. Por ejemplo, un acero 1 020 contiene 0.20% de C. Es común que los aceros al carbono se clasifiquen en tres grupos, de acuerdo con su contenido de carbono:

FIGURA 2.2  Resistencia al esfuerzo de tensión y dureza, como función del contenido de carbono en un acero al carbono (laminado en caliente, no tratado al calor). (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

Dureza, HB

220 200 160 120 80

~ ~

Resistencia al esfuerzo de tensión, MPa

240

800

120

Resistencia al esfuerzo de tensión

100

600

80 Dureza

60

400

40 200 20 0

0.2

0.4 0.6 0.8 % de carbono (C)

1.0

Resistencia al esfuerzo de tensión, 1 000 lb/pulg2

1. Aceros al bajo carbono  Contienen menos de 0.20% de C y son, por mucho, los más utilizados. Las aplicaciones normales son en las piezas automotrices de lámina, placa de acero para la fabricación y vías férreas. Es relativamente fácil dar forma a estos aceros, lo cual los hace de uso muy difundido en aplicaciones que no requieren una resistencia elevada. Por lo general, también los aceros fundidos caen en este rango de carbono. 2. Aceros al medio carbono  Su contenido de carbono varía entre 0.20 y 0.50%, y se especifican para aplicaciones que requieren una resistencia mayor que las de los aceros al bajo carbono. Las aplicaciones incluyen componentes de maquinaria y piezas de motores como cigüeñales y bielas. 3. Aceros al alto carbono  Contienen carbono en cantidades superiores a 0.50% y se especifican para aplicaciones que necesitan resistencias aún mayores, así como rigidez y dureza. Algunos ejemplos son resortes, herramientas, cuchillas y piezas resistentes al desgaste.

El contenido creciente de carbono da resistencia y dureza al acero, pero reduce su ductilidad. Asimismo, los aceros al alto carbono pueden ser tratados para formar martensita, lo que los hace muy duros y fuertes (véase la sección 20.2).

2.1  Metales y sus aleaciones   19

Aceros de baja aleación  Son aleaciones de hierro-carbono que contienen elementos adiciona-

les en cantidades que totalizan menos de 5% del peso. Debido a estas adiciones, los aceros de baja aleación tienen propiedades mecánicas superiores a las del carbono para aplicaciones específicas. Las propiedades superiores por lo general significan más resistencia, dureza, dureza en caliente, resistencia al desgaste, tenacidad y combinaciones más deseables de éstas. Es frecuente que se requiera tratamiento térmico para lograr propiedades mejoradas. Los elementos comunes de aleación que se agregan al acero son cromo, manganeso, molibdeno, níquel y vanadio, a veces en forma individual, pero por lo general en combinaciones. Es frecuente que estos elementos formen soluciones sólidas con hierro y compuestos metálicos con carbono (carburos), lo que supone que hay suficiente carbono presente para efectuar la reacción. Los efectos de los ingredientes principales de la aleación se resumen como sigue: • El cromo (Cr) mejora la resistencia, dureza, resistencia al desgaste, y dureza en caliente. Es uno de los ingredientes de aleación más eficaces para incrementar la templabilidad (véase la sección 20.2.3). En proporciones significativas, el Cr mejora la resistencia a la corrosión. • El manganeso (Mn) mejora la resistencia y dureza del acero. Cuando éste se encuentra caliente, la templabilidad mejora con el aumento de manganeso. Debido a estos beneficios, el manganeso es un ingrediente que se usa mucho en las aleaciones de acero. • El molibdeno (Mo) incrementa la tenacidad y dureza en caliente. También mejora la templabilidad y forma carburos que dan resistencia al desgaste. • El níquel (Ni) mejora la resistencia y la tenacidad. Incrementa la dureza, pero no tanto como los otros elementos de las aleaciones del acero. En cantidades significativas mejora la resistencia a la corrosión y es el otro ingrediente principal (además del cromo) de ciertos tipos de acero inoxidable. • El vanadio (V) inhibe el crecimiento de granos durante el procesamiento a temperaturas elevadas, lo cual mejora la resistencia y tenacidad del acero. También forma carburos que incrementan la resistencia al desgaste. En la tabla 2.1 se presentan las designaciones AISI-SAE de algunos aceros de baja aleación, las cuales indican el análisis químico nominal. Como antes, el contenido del carbono está especificado por el término XX expresado en 1/100% de carbono. Para que esté completa, se incluyen aceros al carbono (10XX). Las propiedades de los diferentes aceros y otros metales se definen y tabulan en el capítulo 3. Los aceros de baja aleación no sueldan con facilidad, en especial con niveles de carbono medios y altos. Desde la década de 1960 la investigación ha estado dirigida al desarrollo de aceros al bajo carbono y baja aleación, que tengan razones mejores de resistencia/peso que los aceros al carbono, pero que suelden mejor que los de baja aleación. Los productos creados a partir de esos trabajos son los aceros de alta resistencia y baja aleación (HSLA, siglas en inglés de HighStrength-Low-Alloy). Por lo general tienen un contenido bajo de carbono (en el rango de 0.10 a 0.30% de C) más cantidades relativamente pequeñas de ingredientes de aleación (generalmente alrededor de 3% del total). Una composición química típica es 0.12 C, 0.60 Mn, 1.1 Ni, 1.1 Cr, 0.35 Mo y 0.4 Si. Los aceros HSLA están rolados en caliente en condiciones controladas diseñadas para proporcionar mejor resistencia en comparación con los aceros al carbono, pero sin sacrificar la facilidad de darles forma o soldarlos. La resistencia se logra por medio de la aleación; el tratamiento térmico de los aceros HSLA no es factible debido a su bajo contenido de carbono. Aceros inoxidables  Los aceros inoxidables constituyen un grupo de aceros altamente aleados diseñados para proporcionar gran resistencia a la corrosión. El elemento principal de la aleación del acero inoxidable es el cromo, por lo general arriba de 15%. El cromo de la aleación forma una película de óxido impermeable, delgada, en una atmósfera oxidante, que protege a la superficie de la corrosión. El níquel es otro ingrediente de aleación que se emplea en ciertos aceros inoxidables para incrementar la protección contra la corrosión. El carbono se utiliza para dar resistencia y endurecer el metal; sin embargo, el contenido creciente de carbono tiene el efecto de reducir la protección contra la corrosión porque se forma carburo de cromo para reducir la cantidad de Cr disponible en la aleación. Además de la resistencia a la corrosión, los aceros inoxidables destacan por su combinación de resistencia y ductilidad. Aunque estas propiedades son deseables en muchas aplicaciones, por

20  CAPÍTULO 2  Materiales en la ingeniería

TABLA 2.1  Designaciones AISI-SAE de los aceros Análisis químico nominal Código

Nombre del acero

10XX 11XX 12XX 13XX 20XX 31XX 40XX 41XX 43XX 46XX 47XX 48XX 50XX 52XX 61XX 81XX 86XX 88XX 92XX 93XX 98XX

Al carbono Resulfurado Resulfurado, refosforado Manganeso Aceros al níquel Níquel-cromo Molibdeno Cromo-molibdeno Ni-Cr-Mo Níquel-molibdeno Ni-Cr-Mo Níquel-molibdeno Cromo Cromo Cr-vanadio Ni-Cr-Mo Ni-Cr-Mo Ni-Cr-Mo Silicio-manganeso Ni-Cr-Mo Ni-Cr-Mo

Cr

Mn

Mo

0.4 0.9 0.9 1.7 0.5

0.4 0.5 1.4 0.8 0.4 0.5 0.5 1.2 0.8

0.8 0.8 0.7 0.6 0.6 0.6 0.4 0.4 0.8 0.8 0.8 0.8 0.8 0.6 0.8

V

0.6 1.2

0.6 1.0 0.8

Ni

0.25 0.2 0.25 0.25 0.2 0.25

1.8 1.8 1.0 3.5

0.1 0.2 0.35

0.3 0.5 0.5

0.1 0.25

3.2 1.0

0.1

P

S

Si

0.04 0.01 0.10 0.04 0.04 0.04 0.04 0.04 0.04 0.04 0.04 0.04 0.04 0.02 0.04 0.04 0.04 0.04 0.04 0.02 0.04

0.05 0.12 0.22 0.04 0.04 0.04 0.04 0.04 0.04 0.04 0.04 0.04 0.04 0.02 0.04 0.04 0.04 0.04 0.04 0.02 0.04

0.01 0.01 0.3 0.2 0.3 0.2 0.3 0.2 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 2.0 0.3 0.3

Fuente: [16].

lo general hacen a dichas aleaciones difíciles de trabajar en la manufactura. Asimismo, los aceros inoxidables son significativamente más caros que los aceros al carbono o los de baja aleación. Los aceros inoxidables se dividen por tradición en tres grupos, que reciben su nombre por la fase predominante presente en la aleación a temperatura ambiente: 1. Aceros inoxidables austeníticos  Tienen una composición normal de alrededor de 18% de Cr y 8% de Ni, y son los más resistentes a la corrosión de los tres grupos. Debido a esa composición, a veces se les identifica como inoxidables 18-8. No son magnéticos y son muy dúctiles, pero las piezas muestran un endurecimiento significativo. El níquel tiene el efecto de agrandar la región austenítica en el diagrama de fase de hierro-carbono, lo que los hace estables a temperatura ambiente. Los aceros inoxidables austeníticos se emplean para fabricar equipo de procesamiento químico y de alimentos, así como piezas de maquinaria que requieren alta resistencia a la corrosión. 2. Aceros inoxidables ferríticos  Contienen de 15 a 20% de cromo, poco carbono y nada de níquel. Esto produce una fase de ferrita a temperatura ambiente. Los aceros inoxidables ferríticos son magnéticos y menos dúctiles y resistentes a la corrosión que los austeníticos. Las piezas fabricadas con ellos van desde utensilios de cocina hasta componentes de motores a reacción. 3. Aceros inoxidables martensíticos  Tienen un contenido de carbono más elevado que los ferríticos, lo que permite que se les dé resistencia por medio de tratamiento térmico (véase la sección 20.2). Tienen hasta 18% de Cr pero nada de Ni. Son fuertes, duros y resistentes a la fatiga, pero por lo general no tan resistentes a la corrosión como los de los otros dos grupos. Los productos más comunes incluyen instrumentos de corte y quirúrgicos. La mayoría de los aceros inoxidables reciben su nombre con un esquema de numeración de la AISI, de tres dígitos. El primero indica el tipo general, y los últimos dos dan el grado específico dentro del tipo. La tabla 2.2 lista los aceros inoxidables más comunes con sus composiciones normales y propiedades mecánicas.

2.1  Metales y sus aleaciones   21

TABLA 2.2  Composiciones de aceros inoxidables seleccionados Análisis químico, % Tipo Austenítico  301  302  304  309  316 Ferrítico  405  430 Martensítico  416  440

Fe

Cr

Ni

C

Mn

Otroa

73 71 69 61 65

17 18 19 23 17

7 8 9 13 12

0.15 0.15 0.08 0.20 0.08

2 2 2 2 2

2.5 Mo

85 81

13 17

– –

0.08 0.12

1 1

85 81

13 17

– –

0.15 0.65

1 1

Recopilado a partir de la referencia [16]. a Todos los grados de la tabla contienen cerca de 1% (o menos) de silicio más cantidades pequeñas (muy por debajo de 1%) de fósforo y azufre y otros elementos como aluminio.

Aceros grado herramienta  Los aceros para herramientas son una clase (por lo general) alta-

mente aleada diseñada para su uso en herramientas de corte industriales, dados y moldes. Para desempeñarse en esas aplicaciones deben poseer resistencia elevada, dureza, dureza en caliente, resistencia al desgaste y tenacidad a los impactos. Para obtener estas propiedades los aceros para herramienta se tratan térmicamente. Las razones principales para los niveles altos de elementos de aleación son: 1) dureza mejorada, 2) distorsión reducida durante el tratamiento térmico, 3) dureza en caliente, 4) formación de carburos metálicos duros para que sean resistentes a la abrasión y 5) tenacidad mejorada. Los aceros para herramientas se clasifican de acuerdo con su aplicación y su composición. Para identificar el tipo de acero de herramienta, AISI utiliza un esquema de clasificación basado en un prefijo, definido en la siguiente lista: T, M Aceros grado herramienta de alta velocidad  Se usan como herramientas de corte en procesos de maquinado (véase la sección 17.2.1). Se formulan para que tengan gran resistencia al desgaste y dureza en caliente. Los aceros de alta velocidad originales (HSS) se crearon alrededor de 1900. Permitieron incrementos muy grandes en la velocidad de corte en comparación con herramientas que se usaban con anterioridad, de ahí su nombre. Las dos designaciones AISI indican el elemento principal de la aleación: T por el tungsteno y M por el molibdeno. H  Aceros grado herramienta para trabajos en caliente  Están pensados para usarse con dados de trabajo en caliente para forjado, extrusión y moldes para fundición. Aceros grado herramienta para trabajos en frío  Son aceros para dados que se emD  plean en operaciones de trabajo en frío, como moldear láminas metálicas, extrusión en frío y ciertas operaciones de forja. La designación D es por dado (dice). Se relacionan de cerca con las designaciones de AISI A y O, que son para tratamientos con aire (air) y aceite (oil). Proporcionan buena resistencia al desgaste. Aceros grado herramienta endurecidos por agua  Tienen contenido elevado de carW  bono con poco o nada de otros elementos de aleación. Sólo pueden endurecerse con enfriamiento por inmersión rápida en agua. Se emplean mucho debido a su bajo costo, pero se limitan a aplicaciones de temperatura baja. Una aplicación común son los dados para cabezas de clavos y pernos en frío. Aceros grado herramienta resistentes a los golpes  Están hechos para usarse en apliS  caciones en las que se requiere mucha tenacidad, como en muchos cortes de lámina metálica, punzonado y operaciones de doblado. Aceros para moldes  Se utilizan para fabricar moldes para plásticos y caucho. P 

22  CAPÍTULO 2  Materiales en la ingeniería

L  Aceros grado herramienta de baja aleación  Por lo general se reservan para aplicaciones especiales. Los aceros para herramientas no son los únicos materiales para ellas. En nuestra cobertura de los procesos de manufactura se describirá una gran variedad de herramientas, así como los materiales de los que están fabricadas. Los materiales incluyen el carbono simple y las aleaciones bajas de acero, hierros fundidos y cerámicos.

2.1.2  Hierros fundidos El hierro fundido es una aleación de hierro que contiene de 2.1 a 4% de carbono, y de 1 a 3% de silicio. Su composición lo hace muy apropiado como metal de fundición. En realidad, el peso en toneladas de los artículos de hierro fundido es varias veces el de todas las demás piezas de metales fundidos combinados (con excepción de los lingotes que se fabrican durante la producción de acero y que posteriormente son rolados en barras, láminas y otras formas similares). El peso total en toneladas del hierro fundido ocupa el segundo lugar, sólo después del acero entre todos los metales. Hay varios tipos de hierro fundido, y el más importante es el gris. Otros tipos incluyen el hierro dúctil, el hierro blanco, el hierro maleable y varios hierros fundidos de aleaciones. Los hierros dúctiles y los maleables poseen químicas similares a las de los hierros gris y blanco, respectivamente, pero resultan de tratamientos especiales que se describirán más adelante. En la tabla 2.3 se presenta una lista de las composiciones químicas de los tipos principales. Hierro gris  Éste tiene el tonelaje mayor entre los hierros fundidos. Tiene una composición que

va de 2.5 a 4% de carbono y de 1 a 3% de silicio. Esta química da como resultado la formación de hojuelas de grafito (carbono) distribuidas en todo el cuerpo fundido hasta que se solidifica. La estructura ocasiona que la superficie del metal adquiera un color gris cuando se fractura, de donde adquiere su nombre. La dispersión de las hojuelas de grafito es responsable de dos propiedades atractivas: 1) buen amortiguamiento a la vibración, que es deseable en los motores y otra clase de maquinaria y 2) cualidades de lubricación interna, lo que hace maquinable al metal fundido. La American Society for Testing of Materials (ASTM) usa un método de clasificación para el hierro gris hecho para proporcionar una especificación para la resistencia al esfuerzo (TS) mínima

TABLA 2.3  Composiciones de hierros fundidos seleccionados Composición normal, % Tipo Hierros grises   ASTM Clase 20   ASTM Clase 30   ASTM Clase 40   ASTM Clase 50 Hierros dúctiles   ASTM A395   ASTM A476 Hierro blanco   Bajo C Hierros maleables   Ferrítico  Perlítico

Fe

C

Si

Mn

Otroa

93.0 93.6 93.8 93.5

3.5 3.2 3.1 3.0

2.5 2.1 1.9 1.6

0.65 0.75 0.85 1.0

0.67 Mo

94.4 93.8

3.0 3.0

2.5 3.0

92.5

2.5

1.3

0.4

1.5Ni, 1Cr, 0.5Mo

95.3 95.1

2.6 2.4

1.4 1.4

0.4 0.8

Recopilado a partir de la referencia [16]. Los hierros fundidos se identifican con varios sistemas. Se ha intentado indicar el grado del hierro fundido en particular con el empleo de la identificación más común para cada tipo. a Los hierros fundidos también contienen fósforo y azufre, por lo general menos de 0.3%.

2.1  Metales y sus aleaciones   23

de varias clases: el hierro gris de Clase 20 tiene una TS de 138 MPa (20 000 lb/pulg2), la Clase 30 tiene una TS de 207 MPa (30 000 lb/pulg2), y así sucesivamente. La resistencia a la compresión del hierro gris es significativamente mayor que a la tensión. Las propiedades de la pieza fundida se pueden controlar hasta cierto grado por medio del tratamiento térmico. La ductilidad del hierro gris es muy baja; es un material relativamente frágil. Los productos hechos de hierro gris incluyen monoblocks y cárteres de motores automotrices, carcasas de motor y bancadas para máquinas herramientas. Hierro dúctil  Éste es un hierro con la composición del gris en el cual el metal fundido recibe tratamiento químico antes de vaciarlo para ocasionar la formación de esferoides de grafito en lugar de hojuelas. Esto da como resultado un hierro más dúctil y fuerte, de ahí su nombre. Las aplicaciones incluyen componentes de maquinaria que requieren resistencia elevada y buena resistencia al desgaste. Hierro blanco  Este hierro fundido tiene menos carbono y silicio que el gris. Se forma por un

enfriamiento más rápido del metal fundido después del vertido, lo que hace que el carbono permanezca en combinación química con el hierro en forma de cementita (Fe3C), en vez de precipitarse de la solución en forma de hojuelas. Cuando se fractura, la superficie adquiere una apariencia cristalina blanca que le da su nombre al hierro. Debido a la cementita, el hierro fundido blanco es duro y frágil, y su resistencia al desgaste es excelente. Estas propiedades hacen que el hierro blanco sea apropiado para aplicaciones en las que se requiere resistencia al desgaste. Un buen ejemplo son las balatas de los frenos de un ferrocarril. Hierro maleable  Cuando las piezas fundidas de hierro blanco se tratan térmicamente para separar el carbono de la solución y formar agregados de grafito, el metal que resulta se llama hierro maleable. La microestructura nueva posee ductilidad sustancial en comparación con el metal a partir del cual se transformó. Los productos comunes hechos de hierro fundido maleable incluyen implementos y bisagras para tubos, ciertos componentes de máquina y piezas de equipo ferroviario.

2.1.3  Metales no ferrosos Los metales no ferrosos incluyen elementos y aleaciones metálicas que no se basan en el hierro. Los metales más importantes de la ingeniería en el grupo de los no ferrosos son aluminio, cobre, magnesio, níquel, titanio y zinc, así como sus aleaciones. Aunque los metales no ferrosos como grupo no igualan la resistencia de los aceros, ciertas aleaciones no ferrosas tienen resistencia a la corrosión o relaciones resistencia/peso que las hacen competitivas ante los aceros para aplicaciones con esfuerzos moderados a altos. Además, muchos de los metales no ferrosos tienen propiedades adicionales a las mecánicas que los hacen ideales para aplicaciones en las que el acero sería inapropiado. Por ejemplo, el cobre tiene una resistencia eléctrica entre las más bajas de los metales, y se usa ampliamente para fabricar conductores eléctricos. El aluminio es un conductor térmico excelente, y sus aplicaciones incluyen intercambiadores térmicos y trastos de cocina. También es uno de los metales al que se le da forma con mayor facilidad y por esa razón se le valora mucho. El zinc tiene un punto de fusión relativamente bajo, por lo que se le utiliza de manera amplia en operaciones de fundición con dados. Los metales no ferrosos comunes tienen su propia combinación de propiedades que los hacen atractivos para una variedad de aplicaciones. En los siguientes párrafos se estudian los metales no ferrosos más importantes en los ámbitos comercial y tecnológico. El aluminio y sus aleaciones  El aluminio y el magnesio son metales ligeros, y por esta carac-

terística es frecuente que se les especifique en aplicaciones de ingeniería. Ambos elementos abundan en nuestro planeta, el aluminio en la tierra (el mineral principal es la bauxita) y el magnesio en el mar, aunque ninguno se extrae con facilidad de su estado natural. El aluminio tiene mucha conductividad eléctrica y térmica, y su resistencia a la corrosión es excelente debido a la formación de una película superficial de óxido, delgada y dura. Es un metal muy dúctil y es notable la capacidad que tiene para adquirir la forma deseada. El aluminio puro

24  CAPÍTULO 2  Materiales en la ingeniería

TABLA 2.4a)  Nomenclatura de aleaciones de aluminio forjado y fundido Grupo de aleación

Código para forjado

Código para fundido

Aluminio, pureza de 99.0% o mayor Aleaciones de aluminio, por elemento(s) principal(es): Cobre Manganeso Silicio + cobre y/o magnesio Silicio Magnesio Magnesio y silicio Zinc Estaño Otros

1XXX

1XX.X

2XXX 3XXX

2XX.X

4XXX 5XXX 6XXX 7XXX 8XXX

3XX.X 4XX.X 5XX.X 7XX.X 8XX.X 9XX.X

Fuente: [17].

tiene resistencia relativamente baja, pero se puede alear y tratar térmicamente para competir con ciertos aceros, en especial cuando el peso es un factor importante. El sistema de nomenclatura para el aluminio es un código numérico de cuatro dígitos. El sistema tiene dos partes, una para el aluminio forjado y otra para los aluminios fundidos. La diferencia es que para estos últimos se emplea un punto decimal después del tercer dígito. En la tabla 2.4a) se presentan las designaciones. Debido a que en las propiedades de las aleaciones de aluminio influyen mucho el endurecimiento por trabajo y el tratamiento térmico, además del código de composición, debe designarse el revenido (tratamiento para dar resistencia, si lo hubiera). En la tabla 2.4b) se presentan las designaciones principales de revenido. Esta designación se agrega al número precedente de cuatro dígitos, separado por un guión, para indicar el tratamiento o la ausencia de él; por ejemplo, 2024-T3. Por supuesto, los tratamientos de revenido que especifican endurecimiento por deformación no se aplican a las aleaciones fundidas. En la tabla 2.5 se presentan las composiciones de algunas aleaciones de aluminio seleccionadas.

TABLA 2.4b)  Nomenclatura del revenido para aleaciones de aluminio Revenido

Descripción

F H

Como se fabrica, sin tratamiento especial. Endurecido por deformación (aluminios forjados). La H va seguida de dos dígitos, el primero de los cuales indica un tratamiento térmico, si lo hubiera; y el segundo, el grado de endurecimiento por trabajo restante; por ejemplo: H1X No hubo tratamiento térmico después del endurecimiento por deformación, y X = 1 a 9, e indica el grado de endurecimiento por trabajo. Recocido para liberar el endurecimiento por deformación y mejorar la ductilidad; reduce la resistencia a su nivel mínimo. Tratamiento térmico para producir revenido estable, diferentes a F, H u O. Va seguido de un dígito para indicar un tratamiento específico; por ejemplo: T1 = enfriado a partir de una temperatura elevada, envejecido en forma natural. T2 = enfriado desde una temperatura elevada, trabajado en frío, envejecido en forma natural. T3 = solución tratada térmicamente, trabajada en frío, envejecida de modo natural; etcétera. Solución con tratamiento térmico, aplicada a aleaciones que se endurecen por el envejecimiento en su uso; es un revenido inestable.

O T

W Fuente: [17].

2.1  Metales y sus aleaciones   25

TABLA 2.5  Composiciones de aleaciones de aluminio seleccionadas Composición normal, %a Código 1 050 1 100 2 024 3 004 4 043 5 050

Al 99.5 99.0 93.5 96.5 93.5 96.9

Cu

Fe

4.4 0.3 0.3 0.2

0.4 0.6 0.5 0.7 0.8 0.7

Mg

Mn

Si

1.5 1.0

0.6 1.2

1.4

0.1

0.3 0.3 0.5 0.3 5.2 0.4

Recopilado a partir de la referencia [17]. a Además de los elementos que se listan, la aleación puede contener indicios de otros elementos como cobre, magnesio, manganeso, vanadio y zinc.

El magnesio y sus aleaciones  El magnesio (Mg) es el más ligero de los metales estructurales;

su gravedad específica es de 1.74. El magnesio y sus aleaciones se encuentran disponibles tanto en forma forjada como fundida. Es relativamente fácil de maquinar. Sin embargo, en todo procesamiento del magnesio, las partículas pequeñas del metal (como pequeñas virutas metálicas procedentes del corte) se oxidan con rapidez, por lo que debe tenerse cuidado para evitar el peligro de incendio. Como metal puro, el magnesio es relativamente suave y carece de la resistencia suficiente para la mayor parte de las aplicaciones de la ingeniería. Sin embargo, se puede alear y tratar térmicamente para que alcance resistencias comparables a las de las aleaciones del aluminio. En particular, su relación resistencia-peso es una ventaja en los aviones y componentes de misiles. El esquema de nomenclatura del magnesio usa un código alfanumérico de tres a cinco caracteres. Los primeros dos son letras que identifican los elementos principales de la aleación (pueden especificarse hasta dos elementos en el código, en orden decreciente de porcentaje, o en forma alfabética si los porcentajes son iguales). Por ejemplo A = aluminio (Al), K = zirconio (Zr), M = manganeso (Mn) y Z = zinc (Zn). Las letras van seguidas de un número de dos dígitos que indican, respectivamente, las cantidades de dos ingredientes de aleación al porcentaje más cercano. Finalmente, el último símbolo es una letra que indica cierta variación en la composición, o tan sólo el orden cronológico en el que se estandarizó para su disponibilidad comercial. Las aleaciones de magnesio también requieren la especificación del revenido, y para ellas se emplea el mismo esquema básico que para el aluminio que se presentó en la tabla 2.4b). En la tabla 2.6 se dan algunos ejemplos de aleaciones de magnesio, que ilustran el esquema de nomenclatura. El cobre y sus aleaciones  El cobre puro (Cu) tiene un color rojizo o rosa distintivo, pero su propiedad de ingeniería más notable es su resistividad eléctrica baja, uno de los elementos con la más baja. Debido a esta propiedad, y a su abundancia relativa en la naturaleza, el cobre puro comercial se usa mucho como conductor eléctrico (aquí se debe decir que la conductividad del cobre disminuye de manera significativa si se agregan elementos de aleación). El Cu también es un conductor térmico excelente. El cobre es uno de los metales nobles (el oro y la plata también lo

TABLA 2.6  Composiciones de aleaciones de magnesio seleccionadas Composición normal, % Código

Mg

Al

Mn

Si

Zn

AZ10A AZ80A ZK21A AM60 AZ63A

98.0 91.0 97.1 92.8 91.0

1.3 8.5

0.2

0.1

6.0 6.0

0.1

0.5

0.4 0.5 2.3 0.2 3.0

Recopilado a partir de la referencia [17].

Otro

6 Zr 0.3 Cu

26  CAPÍTULO 2  Materiales en la ingeniería

TABLA 2.7  Composiciones de aleaciones de cobre seleccionadas Composición normal, % Código

Cu

C10100 C11000 C17000 C24000 C26000 C52100 C71500

99.99 99.95 98.0 80.0 70.0 92.0 70.0

Be

Ni

1.7

a

Sn

Zn

20.0 30.0 8.0 30.0

Recopilada a partir de la referencia [17]. a Cantidades pequeñas de Ni y Fe + 0.3 Co.

son), por lo que es resistente a la corrosión. Todas esas propiedades se combinan para que el cobre sea uno de los metales más importantes. En contraparte, la resistencia y dureza del cobre son relativamente bajas, en especial si se toma en cuenta el peso. En consecuencia, para mejorar la resistencia (así como por otras razones) es frecuente que el cobre se alee. El bronce es una aleación de cobre y estaño (es común 90% de Cu y 10% de Sn), que hoy se usa todavía a pesar de su antigüedad. Se han desarrollado aleaciones de bronce adicionales, con base en otros elementos distintos del estaño; entre éstos se hallan bronces de aluminio y bronces de silicio. El latón es otra aleación de cobre que resulta familiar, compuesta de cobre y zinc (es común que contenga 65% de cobre y 35% de zinc). La aleación de cobre con mayor resistencia es la del berilio-cobre con tratamiento térmico (con sólo 2% de berilio), la cual se usa para hacer resortes. La nomenclatura de las aleaciones de cobre se basa en el Unified Numbering System for Metals and Alloys (UNS), que emplea un número de cinco dígitos precedido de la letra C (de cobre). Las aleaciones se procesan en formas forjadas y fundidas, y el sistema de nomenclatura incluye ambas. En la tabla 2.7 se presentan algunas aleaciones de cobre con sus composiciones. El níquel y sus aleaciones  En muchos aspectos, el níquel (Ni) es similar al hierro. Es magné-

tico y su módulo de elasticidad es virtualmente el mismo que el del hierro y el acero. Sin embargo, es mucho más resistente a la corrosión y las propiedades de alta temperatura de sus aleaciones por lo general son superiores. Debido a sus características de resistencia a la corrosión, se usa mucho como elemento de aleación en el acero, como en los aceros inoxidables, y como metal de recubrimiento de otros metales, como el acero al carbono. Las aleaciones de níquel tienen importancia comercial por sí mismas, y son notables por su resistencia a la corrosión y desempeño a altas temperaturas. En la tabla 2.8 se da la composición de algunas aleaciones de níquel. Además, cierto número de superaleaciones se basan en el níquel (véase la sección 2.1.4). El titanio y sus aleaciones  El titanio (Ti) es abundante en la naturaleza, constituye cerca de 1% de la corteza terrestre (el más abundante es el aluminio, con 8%). La gravedad específica del Ti es de 4.7, entre el aluminio y el hierro. En las últimas décadas su importancia ha crecido debido a sus aplicaciones aeroespaciales, en las que se aprovechan su peso ligero y razón resistenciapeso buena. El coeficiente de expansión térmica del titanio es relativamente bajo entre los metales. Es más rígido y fuerte que el aluminio, y a altas temperaturas conserva buena resistencia. El titanio puro es reactivo, lo que da problemas durante el procesamiento, en especial en estado fundido. Sin embargo, a temperatura ambiente forma una película delgada de óxido (TiO2) adhesivo que recubre y proporciona una resistencia excelente contra la corrosión. Estas propiedades han dado lugar a dos áreas principales de aplicación del titanio: 1) en estado puro comercial, el Ti se emplea para hacer componentes resistentes a la corrosión, como elementos marinos e implantes ortopédicos y 2) las aleaciones de titanio se emplean como componentes de resistencia elevada en temperaturas que van de la del ambiente a 550 °C (1 000 °F), en especial en las que se aprove-

2.1  Metales y sus aleaciones   27

TABLA 2.8  Composición de aleaciones de níquel seleccionadas Composición normal, % Código 270 200 400 600 230

Ni

Cr

Cu

Fe

a

99.9 99.0 66.8 74.0 52.8

 0.2 30.0  0.5

16.0 22.0

Mn

Si

0.2 0.2 1.0 0.4

0.2 0.5 0.5 0.4

Otro

a

0.3 2.5 8.0 3.0

C, S C b

Recopilada a partir de la referencia [17]. a Indicios. b Otros ingredientes de aleación en grado 230 son: 5% Co, 2% Mo, 14% W, 0.3% Al y 0.1% C.

cha su excelente razón resistencia-peso. Estas aplicaciones recientes incluyen componentes de aeronaves y misiles. Algunos de los elementos de aleación que se utilizan con el titanio incluyen aluminio, manganeso, estaño y vanadio. En la tabla 2.9 se presentan algunas composiciones de varias de sus aleaciones. El zinc y sus aleaciones  Su punto de fusión bajo hace que el zinc (Zn) sea atractivo como metal de fundición. También da protección contra la corrosión cuando se le usa como recubrimiento del acero o hierro; el acero galvanizado es acero recubierto con zinc. En la tabla 2.10 se listan varias aleaciones de zinc, con los datos de su composición y sus aplicaciones. Las aleaciones del zinc se utilizan mucho en fundición con dados para producir componentes en masa para las industrias automotriz y de aparatos. Otra aplicación mayor del zinc se tiene en el acero galvanizado, donde el acero se recubre con zinc para protegerlo de la corrosión. Un tercer uso importante del zinc es para producir latón. Como ya se mencionó, esa aleación consiste en cobre y zinc, en la razón de 2/3 de Cu y 1/3 de Zn, aproximadamente. Por último, los lectores podrían estar interesados en saber que la moneda de un centavo de Estados Unidos es en su mayor parte de zinc. Los centavos se acuñan en zinc y después se electrorrecubren con cobre, de manera que las proporciones finales son de 97.5% de zinc y 2.5% de cobre. La producción de cada centavo le cuesta a la casa de moneda estadounidense aproximadamente 1.5 centavos.

2.1.4 Superaleaciones Las superaleaciones constituyen una categoría que involucra a los metales ferrosos y no ferrosos. Algunas de ellas están basadas en el hierro, mientras otras lo están en el níquel y el cobalto. En realidad, muchas de las superaleaciones contienen cantidades sustanciales de tres o más metales, en lugar de un solo metal base más elementos de aleación. No obstante que el tonelaje de estos metales no es significativo en comparación con la mayoría de los demás metales que se han estu-

TABLA 2.9  Composiciones de aleaciones de titanio seleccionadas Composición normal, % Códigoa

Ti

Al

R50250 R56400 R54810 R56620

99.8 89.6 90.0 84.3

6.0 8.0 6.0

Recopilada a partir de las referencias [1] y [17]. a United Numbering System (UNS). b Indicios de C, H, O.

Cu

Fe 0.2 0.3

0.8

0.8

V

Otro

4.0 1.0 6.0

b

1 Mo,b 2 Sn,b

28  CAPÍTULO 2  Materiales en la ingeniería

TABLA 2.10  Composiciones y aplicaciones de aleaciones de zinc seleccionadas Composición normal, % Códigoa

Zn

Al

Cu

Mg

Fe

Z33520 Z35540 Z35635 Z35840 Z45330

95.6 93.4 91.0 70.9 98.9

4.0 4.0 8.0 27.0

0.25 2.5 1.0 2.0 1.0

0.04 0.04 0.02 0.02 0.01

0.1 0.1 0.06 0.07

Aplicación Fundición con dados Fundición con dados Aleación de fundición Aleación de fundición Aleación rolada

Recopilada a partir de la referencia [17]. a UNS – United Numbering System para metales.

diado en este capítulo, tienen importancia comercial porque son muy caros; y también la tienen en cuanto a tecnología por lo que hacen. Las superaleaciones son un grupo de aleaciones de alto rendimiento diseñadas para satisfacer requerimientos muy exigentes de fortaleza y resistencia a la degradación de su superficie (corrosión y oxidación) a varias temperaturas de uso. Para estos metales, la resistencia a la temperatura ambiente convencional no es un criterio importante, y la mayoría de ellos tiene propiedades al respecto que son buenas pero no extraordinarias. Lo que los distingue es su desempeño ante temperaturas elevadas; las propiedades mecánicas de interés son su resistencia al esfuerzo, dureza en caliente, resistencia al agrietamiento, y a la corrosión a temperaturas muy elevadas. Es frecuente que las temperaturas de operación estén en la cercanía de los 1 100 °C (2 000 °F). Estos metales se emplean mucho en sistemas de turbinas de gas, motores a reacción y de cohetes, turbinas de vapor, y plantas de energía nuclear, en los que la eficiencia de operación se incrementa con las temperaturas elevadas. Por lo general, las superaleaciones se dividen en tres grupos, de acuerdo con su constituyente principal: hierro, níquel o cobalto. • Aleaciones basadas en el hierro  Como ingrediente principal tienen hierro, aunque en ciertos casos éste es menor de 50% de la composición total. Los elementos típicos de aleación incluyen níquel, cobalto y cromo. • Aleaciones basadas en el níquel  Por lo general tienen mejor resistencia a las temperaturas altas que los aceros aleados. El níquel es el metal base. Los elementos principales de la aleación son el cromo y el cobalto; otros menores son aluminio, titanio, molibdeno, niobio (Nb) y hierro. • Aleaciones basadas en el cobalto  Tienen al cobalto (entre 40 y 50%) y al cromo (de 20 a 30%) como sus componentes principales. Otros elementos de la aleación incluyen níquel, molibdeno y tungsteno. En prácticamente todas las superaleaciones, inclusive las basadas en hierro, darle resistencia se lleva a cabo mediante endurecimiento por precipitación (sección 20.3). Las superaleaciones con base en el hierro no usan la formación de martensita para obtener su resistencia.

2.2 Cerámicos La importancia de los cerámicos como materiales de la ingeniería se deriva de su abundancia en la naturaleza y sus propiedades mecánicas y físicas, que son muy diferentes de las de los metales. Un material cerámico es un compuesto inorgánico que consiste en un metal (o semimetal) y uno o más no metales. Los ejemplos importantes de materiales importantes son el sílice, o dióxido de silicio (SiO2), ingrediente principal de la mayoría de los productos de vidrio, la alúmina, u óxido de aluminio (Al2O3), que se utilizan en aplicaciones que van de abrasivos a huesos artificiales; y compuestos más complejos como el silicato de aluminio hidratado (Al2Si2O5(OH)4), conocido como caolinita, ingrediente principal de la mayoría de los productos de arcilla (por ejemplo, los

2.2 Cerámicos  29

ladrillos y las vasijas). Los elementos de estos compuestos son los más comunes en la corteza terrestre. El grupo incluye muchos compuestos adicionales, algunos de los cuales ocurren de manera natural, en tanto que otros son manufacturados. Las propiedades generales que hacen a los materiales cerámicos útiles para los productos de ingeniería son la alta dureza, características buenas de aislamiento térmico y eléctrico, estabilidad química y temperaturas de fusión elevadas. Algunos cerámicos son traslúcidos (el ejemplo más claro es el vidrio para ventanas). También son frágiles y virtualmente no poseen ductilidad, lo que causa problemas tanto en su procesamiento como en su desempeño. Para fines de organización, los materiales cerámicos se clasifican en tres tipos básicos: 1) cerámicos tradicionales, silicatos que se emplean en productos de arcilla como vasijas y ladrillos, abrasivos comunes y cemento; 2) nuevos cerámicos, creados recientemente con base en materiales que no son silicatos, como óxidos y carburos, y que por lo general poseen propiedades mecánicas o físicas que las hacen superiores o únicas si se les compara con los cerámicos tradicionales, y 3) vidrios, con base sobre todo en sílice y que se distinguen de otros cerámicos por su estructura no cristalina. Además de los tres tipos básicos, se tienen vidrio-cerámicos, vidrios que han sido transformados en una estructura cristalina grande por medio del tratamiento térmico. Los procesos de manufactura para estos materiales se cubren en los capítulos 7 (trabajo con vidrios) y 11 (procesamiento de partículas de cerámicos tradicionales y nuevos).

2.2.1  Cerámicos tradicionales Estos materiales se basan en silicatos minerales, sílice y óxidos minerales. Los productos principales son el barro cocido (vasijas, vajillas, ladrillos y mosaicos), cemento y abrasivos naturales como la alúmina. Estos productos, y los procesos que se utilizan para fabricarlos, se remontan a miles de años. El vidrio también es un material cerámico y con frecuencia se le incluye en el grupo de los materiales cerámicos tradicionales [12], [13]. En una sección posterior se estudia al vidrio debido a que su estructura vítrea o amorfa lo diferencia de los materiales cristalinos mencionados (el término vítreo significa vidrioso, o que posee características del vidrio). Materias primas  Los silicatos minerales, como las arcillas de distintas composiciones y el sílice, como el cuarzo, se encuentran entre las sustancias más abundantes en la naturaleza y constituyen las materias primas principales de los materiales cerámicos tradicionales. Las arcillas son las materias primas que se emplean más en los cerámicos. Consisten en partículas finas de silicatos de aluminio hidratados que se transforman en una sustancia plástica deformable y moldeable si se les mezcla con agua. Las arcillas más comunes se basan en el mineral caolinita (Al2Si2O5(OH)4). La composición de otros minerales de arcilla varía, tanto en proporciones como en ingredientes básicos y contenido de otros elementos como magnesio, sodio y potasio. Además de la plasticidad que adquieren cuando se les mezcla con agua, una segunda característica de la arcilla que la hace muy útil es que se convierte en un material fuerte y denso cuando se calienta a una temperatura suficientemente elevada. El tratamiento con calor se conoce como cocimiento. Las temperaturas que son adecuadas para el cocimiento dependen de la composición de la arcilla. Así, puede darse forma a la arcilla cuando está húmeda y suave, y luego se cuece para obtener el producto final de cerámico duro. El sílice (SiO2) es otra materia prima importante para los cerámicos tradicionales. Es el componente principal del vidrio, e ingrediente principal de otros productos de cerámico que incluyen vajillas, refractarios y abrasivos. El sílice existe en la naturaleza en varias formas, y la más importante de ellas es el cuarzo. La fuente principal del cuarzo es la arenisca. La abundancia de arenisca y la facilidad relativa de su procesamiento significan que el costo del sílice es bajo; también es duro y de química estable. A estas características se debe su uso tan extenso en los productos cerámicos. Por lo general se mezcla en proporciones distintas con arcilla y otros minerales a fin de obtener características apropiadas en el producto final. El feldespato es otro de los minerales que se emplea con frecuencia. El feldespato es cualquiera de varios minerales cristalinos que consisten en silicato de aluminio combinado con cualquiera de los elementos potasio, sodio, calcio o bario. Las mezclas de arcilla, sílice y feldespato se utilizan para fabricar vasijas, porcelana y otros artículos de comedor.

30  CAPÍTULO 2  Materiales en la ingeniería

Otra materia prima importante para los cerámicos tradicionales es la alúmina. La mayor parte de ésta se procesa a partir del mineral bauxita, que es una mezcla impura de óxido de aluminio hidratado e hidróxido de aluminio más componentes similares de hierro y manganeso. La bauxita también es la mena principal para producir aluminio metálico. Una forma más pura pero menos común del Al2O3 es el mineral corindón, que contiene alúmina en cantidades masivas. Las gemas llamadas zafiro y rubí son formas ligeramente impuras de cristales de corindón. El cerámico de alúmina se emplea como abrasivo en piedras abrasivas y como ladrillos refractarios para hornos. El carburo de silicio, otro cerámico que se emplea mucho como abrasivo, no ocurre en forma de mineral. En vez de ello se produce con el calentamiento de mezclas de arena (fuente de silicio) y coque (carbón) a una temperatura de alrededor de 2 200 °C (3 900 °F), por lo que la reacción química resultante forma SiC y monóxido de carbono. Productos cerámicos tradicionales  Los minerales estudiados antes son los ingredientes de una variedad de productos cerámicos. El estudio en este texto está organizado por categorías principales de los productos cerámicos tradicionales. El análisis se limita a los materiales que se usan en forma común con productos manufacturados, con lo que se omiten ciertos cerámicos de importancia comercial, como el cemento.

• Vasijas y vajillas  Esta categoría es una de las más antiguas, tiene miles de años de antigüedad; aún es una de las más importantes. Incluye productos de vajillas que toda la gente usa: vasijas de barro, cerámica de gres y porcelana. La materia prima de estos productos es la arcilla, por lo general combinada con otros minerales como sílice y feldespato. A la mezcla húmeda se le da forma y después se cuece para producir la pieza terminada. • Ladrillos y azulejos  Los ladrillos para la construcción, tubería de arcilla, tejas no vidriadas para techos y mosaicos para drenajes están hechos de distintas arcillas de bajo costo que contienen sílice y materiales arenosos que existen en depósitos naturales distribuidos con amplitud. Estos productos reciben su forma por presión (moldeo) y se cuecen a temperaturas relativamente bajas. • Refractarios  Los refractarios cerámicos con frecuencia tienen la forma de ladrillos, son críticos en muchos procesos industriales que requieren de hornos y crisoles para calentar o fundir materiales. Las propiedades útiles de los materiales refractarios son su resistencia a las temperaturas elevadas, aislamiento térmico y resistencia a la reacción química con los materiales que se hornean (por lo general metales fundidos). Como ya se mencionó, no es raro que la alúmina se utilice como cerámica refractaria. Otros materiales refractarios incluyen los óxidos de magnesio (MgO) y de calcio (CaO). • Abrasivos  Los cerámicos tradicionales que se emplean para hacer productos abrasivos como piedras de esmeril y papel de lija son la alúmina y el carburo de silicio. Aunque el SiC es más duro, la mayoría de piedras abrasivas se basan en Al2O3 debido a que da mejores resultados cuando se rectifica al acero, que es el metal más usado. Las partículas abrasivas (granos de cerámico) se distribuyen en la rueda por medio de algún material aglutinante como laca, resinas de polímeros o hule. La tecnología de las piedras abrasivas se presenta en el capítulo 18.

2.2.2  Nuevos materiales cerámicos El término nuevos cerámicos se refiere a materiales cerámicos creados en forma sintética durante las décadas recientes, y por medio de mejoras en las técnicas de procesamiento que dan un control mayor sobre las estructuras y propiedades de los cerámicos. En general, los nuevos cerámicos se basan en compuestos distintos de silicato de aluminio en cantidades variables (el cual constituye la mayoría de los materiales cerámicos tradicionales). Los nuevos cerámicos son por lo general más sencillos en cuanto a su química que los tradicionales (por ejemplo, óxidos, carburos, nitruros y boruros). La línea divisoria entre los cerámicos tradicionales y los nuevos algunas veces no es muy clara debido a que los primeros incluyen al óxido de aluminio y al carburo de silicio. En esos casos, la diferencia se basa más en los métodos de procesamiento que en la composición química.

2.2 Cerámicos  31

FIGURA 2.3  Componentes cerámicos de alúmina. (Fotografía por cortesía de Insaco Inc.) (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

Los nuevos cerámicos se organizan en categorías según su composición química: óxidos, carburos y nitruros, que se estudian en las secciones siguientes. En las referencias [9], [12] y [18] se hace un análisis más completo de los nuevos cerámicos. Óxidos cerámicos  El óxido más importante de los nuevos cerámicos es la alúmina. Aunque también se le estudia en el contexto de los cerámicos tradicionales, hoy día la alúmina se produce en forma sintética a partir de la bauxita, con un método de horno eléctrico. Por medio del control del tamaño de las partículas e impurezas, mejoras en los métodos de refinación y la mezcla de cantidades pequeñas de otros ingredientes cerámicos, se mejora en forma sustancial la resistencia e inflexibilidad de la alúmina, en comparación con su contraparte natural. La alúmina también tiene buena dureza en caliente, baja conductividad térmica y alta resistencia a la corrosión. Ésta es una combinación de propiedades que estimulan una variedad de aplicaciones e incluye [20]: abrasivos (piedras abrasivas de arena), biocerámicos (huesos y dientes artificiales), aislantes eléctricos, componentes electrónicos, ingredientes de aleación del vidrio, ladrillos refractarios, insertos para herramientas de corte (véase la sección 17.2.4), aislante de bujía y componentes de ingeniería (véase la figura 2.3). Carburos  Los carburos cerámicos incluyen los carburos de silicio (SiC), tungsteno (WC), tita-

nio (TiC), tantalio (TaC) y cromo (Cr3C2). El carburo de silicio ya se estudió. Aunque es un cerámico hecho por el hombre, los métodos para su producción se desarrollaron hace un siglo, y por ello generalmente se le incluye en el grupo de los cerámicos tradicionales. Además de su empleo como abrasivo, otras aplicaciones del SiC incluyen elementos de resistencia al calentamiento y aditivos para la fabricación de acero. Se valora al WC, al TiC y al TaC por su dureza y resistencia al desgaste en herramientas de corte (sección 17.2.3) y otras aplicaciones que requieren de esas propiedades. El carburo de tungsteno fue el primero que se creó y es el material más importante y de mayor uso de su grupo. El carburo de cromo es más adecuado para aplicaciones donde la estabilidad química y la resistencia a la oxidación son importantes. Excepto para el SiC, cada carburo de los que se estudian aquí debe combinarse con un aglutinante metálico como el cobalto o níquel, a fin de fabricar un producto sólido útil. De hecho, los polvos de carburo adheridos en una matriz metálica crean lo que se conoce como carburo cementado, que es un material compósito (se trata en específico de un cermet, abreviación de cerámica y metal). En la sección 2.4.2 se estudian los carburos cementados y otros cermets. Los carburos tienen poco valor para la ingeniería, excepto como constitutivos de un sistema compuesto. Nitruros  Los nitruros importantes para los cerámicos son el de silicio (Si3N4), el de boro (BN) y el de titanio (TiN). Como grupo, los cerámicos de nitruros son duros y frágiles, y se funden a temperaturas altas (pero por lo general no tanto como las de los carburos). Lo normal es que sean aislantes eléctricos, de los que el TiN es una excepción.

32  CAPÍTULO 2  Materiales en la ingeniería

El nitruro de silicio promete en aplicaciones estructurales de alta temperatura. Tiene baja expansión térmica, buena resistencia al choque y al agrietamiento térmicos, y resiste la corrosión de los metales no ferrosos fundidos. Estas propiedades hacen a este cerámico apto para aplicaciones en turbinas de gas, motores de cohete y crisoles para fundir. El nitruro de boro existe en varias estructuras, en forma parecida al carbono. Las formas importantes del BN son 1) hexagonal, similar al grafito y 2) cúbica, como el diamante; en realidad, su dureza es comparable a la del diamante. Esta última estructura se conoce con los nombres de nitruro de boro cúbico o borazón, cuyo símbolo es cBN. Debido a su dureza extrema, las aplicaciones principales del cBN son en herramientas de corte (véase la sección 17.2.5) y las piedras abrasivas (véase la sección 18.1.1). Es interesante que no compita con las herramientas de corte y piedras hechas de diamante. Éste es apropiado para maquinar y rectificar lo que no sea acero, en tanto que el cBN es adecuado para trabajar el acero. El nitruro de titanio tiene propiedades similares a las de los demás nitruros del grupo, excepto por su conductividad eléctrica, pues es conductor. El TiN tiene dureza elevada, buena resistencia al desgaste y bajo coeficiente de fricción con los metales ferrosos. Esta combinación de propiedades hace que el TiN sea un material ideal como recubrimiento de superficies de herramientas de corte. El recubrimiento es de sólo alrededor de 0.006 mm (0.0003 pulg) de espesor, de modo que las cantidades de material que se utilizan para esta aplicación son mínimas.

2.2.3 Vidrio El término vidrio es algo confuso porque describe tanto un estado de la materia como un tipo de cerámico. Como estado de la materia, se refiere a una estructura amorfa, no cristalina, de un material sólido. El estado vítreo ocurre en un material al que no se da tiempo suficiente para que al enfriarse a partir de la condición de fundido se forme la estructura cristalina. Se concluye que las tres categorías de los materiales de ingeniería (metales, cerámicos y polímeros) pueden adoptar el estado vítreo, aunque las circunstancias de los metales para ello son muy raras. Como un tipo de cerámico, el vidrio es un compuesto inorgánico, no metálico (o mezcla de compuestos) que se enfría hasta adquirir una condición rígida sin cristalizar; es un cerámico que como material sólido está en estado vítreo. Química y propiedades del vidrio  El ingrediente principal en virtualmente todos los vidrios es

el sílice (SiO2), que se encuentra en forma común como cuarzo mineral en las areniscas y arenas sílicas. El cuarzo está presente en forma natural como sustancia cristalina, pero cuando se funde y luego se enfría, forma sílice vítreo. El vidrio de sílice tiene un coeficiente de expansión térmica muy bajo, y por ello es muy resistente al choque térmico. Estas propiedades son ideales para aplicaciones de temperaturas elevadas; en consecuencia, los vidrios para uso químico que están diseñados para ser calentados se fabrican con proporciones elevadas de vidrio de sílice. A fin de reducir el punto de fusión del vidrio para hacer más fácil su procesamiento y controlar sus propiedades, la composición de la mayoría de vidrios comerciales incluye otros óxidos además de sílice. Éste permanece como el componente principal en esa clase de productos, por lo general entre 50 y 75% de los productos químicos totales. La razón de que en esos compuestos se utilice tanto el SiO2 es porque es el mejor formador de vidrio. Se transforma de manera natural en estado vítreo cuando se enfría desde el líquido, en tanto que la mayoría de los materiales cerámicos se cristalizan al solidificarse. En la tabla 2.11 se listan las composiciones químicas frecuentes de ciertos vidrios comunes. Los ingredientes adicionales están contenidos en una solución sólida con SiO2, y cada uno tiene una función: 1) actuar como fundente (facilita la fundición) durante el calentamiento; 2) incrementar la fluidez del vidrio fundido para su procesamiento; 3) retardar la desvitrificación, es decir, la tendencia a cristalizar desde el estado vítreo; 4) reducir la expansión térmica del producto final; 5) mejorar la resistencia química contra el ataque de ácidos, sustancias básicas o agua; 6) agregar color al vidrio, y 7) alterar el índice de refracción para aplicaciones ópticas (por ejemplo, lentes). Productos de vidrio  A continuación se da una lista de las categorías principales de productos de vidrio. Al estudiarlos, se analiza el papel que juegan los distintos ingredientes mencionados en la tabla 2.11.

2.2 Cerámicos  33

TABLA 2.11  Composiciones comunes de productos de vidrio seleccionados Composición química (en peso, al % más cercano) Producto

SiO2

Na2O

CaO

Al2O3

MgO

K2O

Vidrio de sosa y cal Vidrio para ventanas Vidrio para envases Vidrio para focos Vidrio para materiales de laboratorio: Vycor Pirex Vidrio E (fibras) Vidrio S (fibras) Vidrios ópticos: Vidrio de baja refracción (al boro, o Crown glass) Vidrio de alta refracción (al plomo, o Flint glass)

71 72 72 73

14 15 13 17

13  8 10  5

 2  1  2a  1

 4  2  4

1

96 81 54 64

4 1

67

8

12

46

3

6

17

 1  2 15 26

PbO

B2O3

Otros

 3 13  9

 4 10

12

ZnO

45

Recopilado a partir de las referencias [10], [12], [19] y de otras fuentes. a Pueden incluir Fe O con Al O . 2 3 2 3

• Vidrio para ventanas  En la tabla 2.11, este vidrio está representado por dos composiciones químicas: 1) vidrio de cal y sosa cáustica y 2) vidrio para ventanas. La fórmula de cal y sosa cáustica se remonta a la industria del soplado de vidrio del siglo xix, y aun antes. Se fabricaba (incluso hoy) mezclando sosa (Na2O) y cal (CaO) con sílice (SiO2) como el ingrediente principal. La combinación de ingredientes que se agregan ha tenido una evolución empírica hasta lograr un balance entre evitar la cristalización durante el enfriamiento y lograr la estabilidad química del producto final. Durante esta evolución, el vidrio moderno para ventanas y las técnicas para fabricarlo han requerido pocos ajustes en cuanto a su composición y control más estrecho. Se agrega magnesio (MgO) para reducir la desvitrificación. • Envases  En tiempos pasados se usaba la misma composición de cal y sosa cáustica para el vidrio soplado en forma manual a fin de fabricar botellas y otros envases. Los procesos modernos para dar forma a los envases de vidrio enfrían éste con más rapidez que los métodos antiguos; asimismo, los cambios en la composición tratan de optimizar las proporciones de cal (CaO) y sosa (Na2O3). La cal facilita la fluidez. También incrementa la desvitrificación, pero como el enfriamiento es más rápido, este efecto no es tan importante como lo era para las técnicas de procesamiento anteriores, con tasas de enfriamiento más lentas. La reducción de la sosa disminuye la estabilidad química y la insolubilidad. • Vidrio para focos  El vidrio que se usa para hacer focos y otros artículos de vidrio delgado (por ejemplo, copas, adornos navideños) tiene contenido alto de sosa y bajo de cal; también contiene cantidades pequeñas de magnesio y alúmina. Las materias primas son económicas y convenientes para los hornos de fundido continuo actuales para la producción masiva de focos. • Vidrio para materiales de laboratorio  Estos productos incluyen contenedores para productos químicos (por ejemplo, matraces, vasos de precipitados, tubería de vidrio). Este vidrio debe ser resistente al ataque químico y el choque térmico. Es apropiado el vidrio con alto contenido de sílice debido a su baja expansión térmica. Para esta clase de vidrio se utiliza el nombre comercial “Vicor”. Al agregarle óxido bórico también produce un vidrio con coeficiente de expansión térmica bajo, por lo que algunos vidrios para laboratorio contienen B2O3. Para el vidrio de borosilicato se emplea el nombre comercial “Pyrex”. • Vidrios ópticos  Las aplicaciones para estos vidrios incluyen lentes para anteojos e instrumentos ópticos tales como cámaras, microscopios y telescopios. Para llevar a cabo su función, los vidrios deben tener índices de refracción distintos, pero cada uno de ellos debe ser de composición homogénea. Los vidrios ópticos por lo general se dividen en vidrios al boro

34  CAPÍTULO 2  Materiales en la ingeniería

y al plomo. El vidrio al boro tiene un índice de refracción bajo, en tanto que el vidrio al plomo contiene óxido de plomo (PbO) que le da un índice de refracción alto. • Fibras de vidrio  Éstas se manufacturan para numerosas aplicaciones importantes, incluso plásticos de fibra de vidrio reforzada, lana aislante y fibra óptica. Las composiciones varían de acuerdo con la función. Las fibras de vidrio que se usan más para reforzar plásticos son las de vidrio E. Otro material de fibra de vidrio es el vidrio S, que tiene resistencia mayor pero no es tan económico como el vidrio E. La lana aislante de fibra de vidrio se manufactura a partir de vidrios regulares de sosa-cal-sílice. El producto de vidrio para fibra óptica consiste en un núcleo largo y continuo de vidrio con índice de refracción elevado rodeado por una envoltura de vidrio de refracción baja. El vidrio interno debe tener una transmitancia muy alta para la luz a fin de realizar comunicaciones a larga distancia. Vidrios cerámicos  Los vidrios cerámicos son una clase de material cerámico que se produce por la conversión de vidrio en una estructura policristalina por medio de tratamiento térmico. La proporción de la fase cristalina en el producto final por lo común varía entre 90 y 98%, y el resto es material vítreo sin convertir. Por lo general, el tamaño del grano está entre 0.1 y 1.0 μm (4 y 40 μpulg), lo que es significativamente menor que el tamaño del grano de los cerámicos convencionales. Esta microestructura fina hace que los vidrios cerámicos sean mucho más fuertes que los vidrios de los que se derivan. Asimismo, debido a su estructura cristalina, los vidrios cerámicos son opacos (por lo general grises o blancos) y no transparentes. La secuencia de procesamiento de los vidrios cerámicos es la siguiente: 1) El primer paso incluye operaciones de calentamiento y formado que se emplean en el trabajo del vidrio (véase la sección 7.2) para crear la forma que se desea para el producto. Los métodos para dar forma al vidrio por lo general son más económicos que el prensado y el sinterizado para dar forma a los cerámicos tradicionales y nuevos a partir de polvos. 2) El producto se enfría. 3) Se vuelve a calentar el vidrio a una temperatura suficiente para ocasionar que se forme en todo el material una red densa de núcleos de cristales. Es esta densidad alta de los sitios de nucleación lo que inhibe el crecimiento de granos de cristales individuales, lo que en última instancia conduce al tamaño fino del grano del material del vidrio cerámico. La clave para que ocurra la propensión a formar núcleos es la presencia de cantidades pequeñas de agentes nucleadores en la composición del vidrio. Los más comunes de éstos son el TiO2, P2O5 y ZrO2. 4) Una vez iniciada la nucleación, continúa el tratamiento térmico a una temperatura mayor para producir el aumento de las fases cristalinas. Las ventajas notables de los vidrios cerámicos incluyen 1) la eficiencia de procesamiento en el estado vítreo, 2) control dimensional estrecho de la forma del producto final y 3) buenas propiedades físicas y mecánicas. Estas últimas incluyen alta resistencia (mayor que la del vidrio), ausencia de porosidad, bajo coeficiente de expansión térmica y elevada resistencia al choque térmico. Estas propiedades dan como resultado aplicaciones para utensilios de cocina, intercambiadores térmicos y misiles. Ciertas formulaciones también se caracterizan por su resistencia eléctrica elevada, apropiada para aplicaciones eléctricas y electrónicas.

2.3 Polímeros Con excepción del caucho natural, casi todos los materiales poliméricos que se emplean en la ingeniería hoy día son sintéticos. Los materiales en sí mismos se elaboran por medio de procesamiento químico, y los productos se fabrican con procesos de solidificación. Un polímero es un compuesto que consiste en moléculas de cadena larga, cada una de las cuales está hecha de unidades que se repiten y conectan entre sí. En una sola molécula de polímero puede haber miles, e incluso millones, de unidades. La palabra se deriva de los vocablos griegos poly, que significa muchos, y meros (que se contrae a mero), que es parte. La mayoría de los polímeros se basan en el carbono, y por ello se les considera productos químicos orgánicos. Los polímeros se dividen en plásticos y hules (cauchos). Para estudiar los polímeros como materia técnica es apropiado dividirlos en las siguientes tres categorías, donde 1) y 2) son plásticos y 3) es la categoría del hule:

2.3 Polímeros  35

1. Los polímeros termoplásticos, también llamados termoplásticos (TP), son materiales sólidos a temperatura ambiente, pero si se les calienta a temperaturas de apenas unos cuantos cientos de grados se vuelven líquidos viscosos. Esta característica permite que adopten formas de productos de modo fácil y económico. Se pueden sujetar repetidas veces al ciclo de calentamiento y enfriamiento sin que el polímero se degrade de manera significativa. 2. A diferencia de los termoplásticos, los polímeros termofijos, o termofijos (termoestables, TS), no toleran ciclos repetidos de calentamiento. Cuando se calientan de inicio, se suavizan y fluyen de modo que se pueden moldear, pero las temperaturas elevadas también producen una reacción química que endurece el material y lo convierte en un sólido que no se puede fundir. Si se le vuelve a calentar, los polímeros termofijos o termoestables se degradan y carbonizan en vez de suavizarse. 3. Los elastómeros (E) son polímeros que presentan alargamiento elástico extremo si se les somete a un esfuerzo mecánico relativamente débil. Aunque sus propiedades son muy distintas de las de los termofijos, tienen una estructura molecular similar a la de éstos, pero diferente de la de los termoplásticos. De los tres tipos, los de mayor importancia comercial son los termoplásticos, pues constituyen alrededor de 70% del peso total de todos los polímeros sintéticos que se producen. Los termofijos y elastómeros contribuyen con el restante 30% a partes casi iguales. Los polímeros TP comunes incluyen al polietileno, cloruro de polivinilo, polipropileno, poliestireno y nylon. Ejemplos de los polímeros TS son los fenoles, epóxicos y ciertos poliésteres. El ejemplo más común de los elastómeros es el hule natural (vulcanizado); sin embargo, se produce mucho más hule sintético que natural. Aunque la clasificación de los polímeros en las categorías TP, TS y E cumple con los propósitos de organizar el tema en este capítulo, debe notarse que en ocasiones los tres tipos se traslapan. Ciertos polímeros que normalmente son termoplásticos podrían hacerse termofijos. Algunos polímeros pueden ser tanto termofijos como elastómeros (debe observarse que sus estructuras moleculares son similares). Y ciertos elastómeros son termoplásticos. Sin embargo, sólo son excepciones al esquema de clasificación general. El crecimiento de las aplicaciones de los polímeros sintéticos es en verdad impresionante. Las siguientes son algunas razones de la importancia comercial y tecnológica de los polímeros. • Es posible dar formas a los plásticos moldeándolos en formas intrincadas, por lo general sin que se requiera mayor procesamiento. Son muy compatibles con el procesamiento de forma final. • Los plásticos poseen una lista de propiedades atractivas para muchas aplicaciones de ingeniería en las que la resistencia no es importante: 1) densidad baja respecto de los metales y cerámicos; 2) buenas relaciones de resistencia a peso de ciertos polímeros (pero no todos); 3) resistencia elevada a la corrosión, y 4) baja conductividad eléctrica y térmica. • Sobre una base volumétrica, los polímeros compiten en costo con los metales. • Los polímeros por lo general requieren menos energía que los metales para producirse, sobre una base de volumen. Esto se cumple debido a que es común que las temperaturas para trabajarlos sean mucho más bajas que las que requieren los metales. • Ciertos plásticos son traslúcidos o transparentes, así que para ciertas aplicaciones compiten con el vidrio. • Los polímeros se emplean mucho en materiales compósitos (véase la sección 2.4). Por el lado negativo, los polímeros tienen en general las limitaciones siguientes: 1) su resistencia es baja en comparación con la de los metales y cerámicos; 2) en el caso de los elastómeros, su módulo de elasticidad o rigidez también es bajo (ésta podría ser, por supuesto, una característica deseable); 3) las temperaturas de uso se limitan a sólo unos cientos de grados debido a la suavización de los polímeros termoplásticos o a la degradación de los termofijos y elastómeros; 4) ciertos polímeros se degradan si se les expone a la luz solar y otras formas de radiación. Los polímeros se sintetizan por medio de la unión de muchas moléculas pequeñas para formar otras más grandes, llamadas macromoléculas, que poseen una estructura parecida a una cadena. Las unidades pequeñas, llamadas monómeros, por lo general son moléculas orgánicas in-

36  CAPÍTULO 2  Materiales en la ingeniería

n

H

H

H

H

H

H

H

H

C

C

C

C

C

C

C

C

H

H

H

H

H

H

H

H

1)

n

H

H

C

C

H

H

n

2b)

2a)

FIGURA 2.4  Síntesis del polietileno a partir de monómeros de etileno: 1) n monómeros de etileno producen 2a) cadena de polietileno de longitud n; 2b) notación concisa para ilustrar la estructura del polímero de cadena de longitud n. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

saturadas sencillas, como el etileno C2H4. Los átomos de estas moléculas están unidos con enlaces covalentes, y cuando se unen para formar un polímero, el mismo enlace covalente mantiene a la cadena. Así, cada molécula larga se caracteriza por enlaces primarios fuertes. En la figura 2.4 se ilustra la síntesis de la molécula de polietileno. Según se describe aquí, la polimerización genera macromoléculas de una estructura semejante a una cadena, denominada polímero lineal. Ésta es la estructura característica de un polímero termoplástico. También son posibles otras estructuras, como se ilustra en la figura 2.5. Una posibilidad es que se formen ramas laterales a lo largo de la cadena, lo que da como resultado un polímero ramificado, que se presenta en la figura 2.5b). En el polietileno, esto ocurre porque los átomos de hidrógeno son reemplazados por átomos de carbono en puntos al azar a lo largo de la cadena, con lo que se inicia el crecimiento de una cadena en rama en cada ubicación. Para ciertos polímeros ocurren enlaces primarios entre las ramas y otras moléculas en ciertos puntos de conexión, para formar polímeros entrecruzados, como se ilustra en las figuras 2.5c) y d). El entrecruzamiento sucede porque cierta proporción de los monómeros que se usan para formar el polímero son capaces de enlazarse con otros adyacentes en más de los dos lados, lo que permite que se agreguen las ramas de otras moléculas. Las estructuras entrecruzadas flojas son características

a)

b)

c)

d)

FIGURA 2.5  Varias estructuras de moléculas de polímeros: a) lineal, característica de los termoplásticos; b) ramificada; c) entrecruzada holgada, como en los elastómeros, y d) entrecruzada estrecha o de red, como en un termofijo. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

2.3 Polímeros  37

de los elastómeros. Cuando el polímero está muy entrecruzado se dice que tiene estructura de red, como en el inciso d) de la figura; en realidad, la masa entera es una macromolécula gigante. Los plásticos termofijos adoptan esta estructura después del curado. La presencia de la ramificación y el entrecruzamiento en los polímeros tiene un efecto significativo sobre sus propiedades. Es la base de la diferencia entre las tres categorías de polímeros: TP, TS y E. Los polímeros termoplásticos siempre poseen estructuras lineales o ramificadas, o una mezcla de las dos. La ramificación incrementa la imbricación de las moléculas, lo que generalmente hace que el polímero sea más fuerte en estado sólido y más viscoso a una temperatura dada en estado líquido o plástico. Los plásticos termofijos y los elastómeros son polímeros entrecruzados. El entrecruzamiento ocasiona que el polímero sea químicamente estable; la reacción no puede revertirse. Su efecto es cambiar de manera permanente la estructura del polímero; si se calienta se degrada o quema, en lugar de fundirse. Los termofijos poseen un grado alto de entrecruzamiento, mientras que los elastómeros poseen un grado bajo. Los termofijos son duros y frágiles, en tanto que los elastómeros son elásticos y resilientes.

2.3.1  Polímeros termoplásticos La propiedad definitoria de un polímero termoplástico es que puede calentarse desde el estado sólido hasta el de líquido viscoso y después enfriarse hasta volver a ser sólido, y que es posible realizar muchas veces este ciclo de calentamiento y enfriamiento sin que el polímero se degrade. La razón de esta propiedad es que los polímeros TP consisten en macromoléculas lineales (y/o ramificadas) que no se entrecruzan cuando se calientan. A diferencia de los metales y los cerámicos, el termoplástico común a temperatura ambiente se caracteriza por lo siguiente: 1) rigidez mucho más baja, 2) menor resistencia, 3) dureza mucho menor y 4) mayor ductilidad. Los productos termoplásticos incluyen artículos moldeados y extruidos, fibras, películas, hojas, materiales de empaque, pinturas y barnices. Es normal que las materias primas iniciales para estos productos se suministren al fabricante en forma de polvos o pellets (bolitas), en bolsas, tambos o cargas grandes de camiones o vagones. En la siguiente lista se analizan los polímeros TP más importantes en orden alfabético: • Acrílicos  Los acrílicos son polímeros derivados del ácido acrílico (C3H4O2) y de compuestos que se derivan de él. El termoplástico más importante del grupo de los acrílicos es el polimetilmetacrilato (PMMA) o Plexiglás (marca registrada para el PMMA). Su propiedad extraordinaria es la transparencia excelente, que lo hace competir con el vidrio en aplicaciones ópticas. Algunos ejemplos incluyen lentes para las luces traseras de automóviles, instrumentos ópticos y ventanas de los aviones. • Acrilonitrilo-butadieno-estireno  El ABS es un plástico de uso en la ingeniería por su combinación excelente de propiedades mecánicas. El nombre del plástico se deriva de los tres monómeros iniciales, que están mezclados en proporciones diferentes. Las aplicaciones comunes incluyen componentes para automóviles, aparatos, máquinas de oficina, y tubos e implementos. • Cloruro de polivinilo  El cloruro de polivinilo (PVC) es un plástico muy usado cuyas propiedades varían si se combinan aditivos con el polímero. Se pueden obtener termoplásticos que van del PVC rígido a PVC flexible. El rango de propiedades hace del PVC un polímero versátil, con aplicaciones que incluyen tubos rígidos (que se utilizan en la construcción y sistemas de agua, drenaje e irrigación), accesorios, aislamiento de alambres y cables, películas, hojas, empaque de comida, pisos y juguetes. • Poliamidas  Una familia importante de polímeros que forma uniones de amidas (CO–NH) características durante la polimerización es la de las poliamidas (PA). Los miembros más importantes de la familia de las PA son los nylons, que son fuertes, muy elásticos, inflexibles, resistentes a la abrasión y autolubricantes. La mayoría de las aplicaciones del nylon (cerca de 90%) son en fibras para tapetes, ropa y cuerdas para neumáticos. El resto (10%) es para componentes de ingeniería, como cojinetes, engranes y piezas similares en las que se necesita resistencia y fricción baja. Un segundo grupo de poliamidas es el de las aramidas

38  CAPÍTULO 2  Materiales en la ingeniería

•

•

•

•

•

(poliamidas aromáticas), de las que el Kevlar (nombre comercial de DuPont) ha ganado importancia como fibra para plásticos reforzados. La razón del interés en el Kevlar es que tiene la misma resistencia que el acero con 20% de su peso. Policarbonato  El policarbonato (PC) es notable por sus propiedades mecánicas excelentes en general, que incluyen tenacidad elevada y buena resistencia al escurrimiento plástico. Además es resistente al calor, transparente y resiste el fuego. Sus aplicaciones incluyen piezas moldeadas para maquinaria, carcasas para máquinas de oficina, impulsores de bombas, cascos de seguridad y discos compactos (por ejemplo, audio y video). También se usa mucho en aplicaciones de cristales (ventanas y parabrisas). Poliésteres  El poliéster forma una familia de polímeros constituida por las uniones características del éster (CO–O). Son termoplásticos o termofijos, lo que depende si ocurre entrecruzamiento. De los poliésteres termoplásticos, un ejemplo representativo es el tereftalato de polietileno (PET). Sus aplicaciones importantes incluyen envases de bebidas moldeados por soplado, películas fotográficas y cintas magnéticas de grabación. Además, el PET se usa mucho como fibras para telas. Poliestireno  Hay varios polímeros basados en el monómero del estireno (C8H8), de los que el mayor volumen corresponde al poliestireno (PS). Es un polímero lineal que en general resulta notable por su fragilidad. El PS es transparente, se colorea con facilidad y moldea con rapidez, pero a temperaturas elevadas se degrada, y varios solventes lo disuelven. Debido a su fragilidad, algunos grados de PS contienen de 5 a 15% de hule, tipos para los que se emplea el término poliestireno de alto impacto (HIPS). Además de las aplicaciones en moldeo por inyección (por ejemplo, juguetes moldeados), el poliestireno también se emplea para empacar, en forma de espumas de PS. Polietileno  El polietileno (PE) se sintetizó por vez primera en la década de 1930, y hoy abarca el volumen más grande de todos los plásticos. Las características que hacen atractivo al PE como material de ingeniería son su costo bajo, y que es químicamente inerte y fácil de procesar. El polietileno se encuentra disponible en varios grados, los más comunes de los cuales son el polietileno de baja densidad (LDPE) y el polietileno de alta densidad (HDPE). El grado de densidad baja es un polímero muy ramificado con cristalinidad y densidad bajas. Las aplicaciones incluyen envases deformables, bolsas para comida, hojas, películas y aislamiento de alambres. El HDPE tiene una estructura más lineal, con cristalinidad y densidad elevadas. Estas diferencias hacen al HDPE más rígido y fuerte, y le dan una temperatura de fusión más alta. El HDPE se emplea para producir botellas rígidas, tubos y enseres domésticos. Polipropileno  El polipropileno (PP) es un plástico importante, en especial para el moldeo por inyección. Es el más ligero de los plásticos y su razón resistencia a peso es elevada. El PP se compara con frecuencia con el HDPE debido a que su costo y muchas de sus propiedades son similares. Sin embargo, el punto de fusión elevado del polipropileno permite ciertas aplicaciones en las que se prefiere el uso del polietileno (por ejemplo, componentes que deben esterilizarse). Otras aplicaciones son las piezas moldeadas por inyección para automóviles y enseres domésticos, así como productos de fibra para alfombras.

2.3.2  Polímeros termofijos Los polímeros termofijos (TS) se distinguen por su estructura muy entrecruzada. En realidad, la pieza formada (por ejemplo, la manija de un recipiente o la cubierta de los interruptores eléctricos) se convierte en una sola macromolécula. Debido a las diferencias de química y estructura molecular, las propiedades de los plásticos termofijos son distintas de las de los termoplásticos. En general, los termofijos son 1) más rígidos, 2) frágiles, 3) menos solubles en solventes comunes, 4) capaces de resistir temperaturas de uso elevadas y 5) no son capaces de volverse a fundir (en vez de ello, se degradan o queman). Las diferencias en las propiedades de los plásticos TS son atribuibles al entrecruzamiento, que forma una estructura estable en lo térmico, tridimensional y de enlaces covalentes en el interior de la molécula. Las reacciones químicas que se asocian con el entrecruzamiento se denominan curado o fraguado. El curado se logra de tres maneras, dependiendo de los ingredientes

2.3 Polímeros  39

iniciales: 1) sistemas activados por temperatura, en los que el curado es ocasionado por el calor; 2) sistemas activados por catalizadores, en los que se agregan cantidades pequeñas de un catalizador a un polímero líquido para ocasionar el curado, y 3) sistemas activados por mezcla, en los que se combinan dos ingredientes iniciales, resultando en una reacción que forma un polímero sólido entrecruzado. El curado se efectúa en plantas de fabricación que dan forma a las piezas, a diferencia de las plantas químicas que suministran al fabricante los materiales en bruto. Los plásticos termofijos no se usan tanto como los termoplásticos, quizá por las complicaciones adicionales del procesamiento que involucra el curado de los polímeros TS. El volumen mayor de termofijos son las resinas fenólicas, pero su volumen anual es menor a 20% del volumen del polietileno, el termoplástico líder. En la lista siguiente se presentan los termofijos más importantes y sus aplicaciones más comunes: • Aminorresinas  Los plásticos amino, caracterizados por el grupo del amino (NH2), consisten en dos polímeros termofijos, urea-formaldehído y melamina-formaldehído, que se producen por la reacción del formaldehído (CH2O) ya sea con la urea (CO(NH2)2) o la melamina (C3H6N6), respectivamente. La urea-formaldehído se usa como cubierta (triplay) y adhesivo para tableros de partículas. Las resinas también se emplean como un compuesto moldeador. El plástico de melamina-formaldehído es resistente al agua y se utiliza para trastos y como recubrimiento en mesas laminadas y contracubiertas (con nombre comercial Formica). • Epóxicos  Las resinas epóxicas se basan en un grupo químico denominado epóxidos. La epiclorhidrina (C3H5ClO) es un epóxido que se emplea mucho más para producir resinas epóxicas. Los epóxicos curados son notables por su resistencia, adhesividad y resistencia al calor y al ataque químico. Las aplicaciones incluyen recubrimientos de superficies, pisos industriales, compuestos de fibra de vidrio reforzada y adhesivos. Las propiedades aislantes de los epóxicos termofijos los hacen útiles como el material de laminación de tarjetas de circuitos impresos. • Fenólicos  El fenol (C6H5OH) es un compuesto ácido que reacciona con los aldehídos (alcoholes deshidrogenados), de los que el más reactivo es el formaldehído (CH2O). El fenolformaldehído es el más importante de los polímeros fenólicos. Es frágil, posee buenas estabilidades térmica, química y dimensional. Las aplicaciones incluyen piezas moldeadas, tarjetas de circuitos impresos, cubiertas para mesas, adhesivos para triplay y materiales de unión para frenos y ruedas abrasivas. • Poliésteres  Los poliésteres, que contienen las uniones características de los ésteres (CO–O), son termofijos así como termoplásticos. Los poliésteres termofijos se emplean mucho en plásticos reforzados (compósitos) para fabricar objetos grandes como tubos, tanques, cascos de lanchas, piezas de carrocerías automotrices y paneles para la construcción. También se utilizan en diversos procesos de moldeo para producir piezas pequeñas. • Poliuretanos  Incluyen una familia grande de polímeros, caracterizados todos por el grupo del uretano (NHCOO) en su estructura. Muchas pinturas, barnices y recubrimientos similares se basan en sistemas de uretano. Según las variaciones de su química, entrecruzamiento y procesamiento, los poliuretanos pueden ser materiales termoplásticos, termofijos o elastómeros, de los que estos dos últimos son los que tienen mayor importancia comercial. La aplicación principal del poliuretano es en espumas. Éstas varían entre elastoméricas y rígidas, y las últimas tienen un entrecruzamiento mayor (los elastómeros de poliuretano se estudian en la sección 2.3.3). Las espumas rígidas se emplean como material de relleno en paneles huecos para la construcción y las paredes de refrigeradores.

2.3.3 Elastómeros Los elastómeros son polímeros capaces de desarrollar una deformación elástica grande si se les somete a esfuerzos relativamente pequeños. Algunos elastómeros presentan extensiones de 500% o más y regresan a su forma original. El término más frecuente para un elastómero es, por supuesto, hule. Los hules se dividen en dos categorías: 1) hule natural, derivado de ciertos vegetales, y 2) elastómeros sintéticos, que se obtienen con procesos de polimerización similares a los que se emplean para los polímeros termoplásticos y termofijos.

40  CAPÍTULO 2  Materiales en la ingeniería

En la mayoría de los elastómeros se requiere un curado para que ocurra el entrecruzamiento. El término que se emplea para el curado en el contexto del hule natural (y algunos sintéticos) es el de vulcanización, que involucra la formación de entrecruzamientos químicos entre las cadenas del polímero. El entrecruzamiento común en el hule es de 1 a 10 uniones por cien átomos de carbono en la cadena de polímero lineal, lo que depende de la rigidez que se desea para el material. Esto es considerablemente menos que el grado de entrecruzamiento de los termofijos. Hule natural  El hule natural (NR, natural rubber) consiste sobre todo en poliisopreno, un polí-

mero del isopreno (C5H8). Se deriva del látex, sustancia lechosa producida por varias plantas, la más importante de las cuales es el árbol del hule (Hevea brasiliensis), que crece en los climas tropicales. El látex es una emulsión en agua de poliisopreno (cerca de un tercio del peso), más otros ingredientes. El hule se extrae del látex por medio de distintos métodos que eliminan el agua. El caucho natural crudo (sin vulcanizar) es pegajoso en agua caliente, y rígido y frágil en la fría. Para formar un elastómero de propiedades útiles, el caucho natural debe vulcanizarse. Tradicionalmente, la vulcanización se ha llevado a cabo mediante la mezcla de pequeñas cantidades de azufre y otros productos químicos con el hule natural, que luego se calientan. El efecto químico de la vulcanización es crear entrecruzamientos; el resultado mecánico es que se incrementan la resistencia y la rigidez, pero se mantiene la elasticidad. El cambio marcado de las propiedades que ocasiona la vulcanización se observa en las curvas de esfuerzo-deformación que se presentan en la figura 2.6. El azufre por sí solo ocasiona entrecruzamientos, pero el proceso es lento y toma varias horas. Se agregan otros productos químicos durante la vulcanización para acelerar el proceso y obtener otros resultados benéficos. Asimismo, el caucho se puede vulcanizar con el empleo de productos diferentes del hule. Hoy día, los tiempos del curado se han reducido mucho en comparación con el curado por medio de azufre de los primeros años. Como material de ingeniería, el hule vulcanizado es notable entre los elastómeros por su alta resistencia al esfuerzo, resistencia al corte, resiliencia (capacidad de recuperar su forma después de la deformación), y resistencia ante el desgaste y la fatiga. Su debilidad es que se degrada si se sujeta al calor, luz del sol, oxígeno, ozono y aceite. Algunas de estas limitaciones se reducen con el uso de aditivos. El mercado individual más grande para el hule natural es el de los neumáticos para automóviles. En los neumáticos, un aditivo importante es el negro de humo; refuerza el hule, sirve para incrementar su resistencia al esfuerzo, al desgarre y la abrasión. Otros productos hechos con caucho incluyen suelas para zapatos, cojinetes, sellos y componentes que absorben los golpes. Hules sintéticos  Hoy día, el peso de los hules sintéticos es más del triple del natural. El desa-

rrollo de estos materiales sintéticos fue motivado ampliamente por las guerras mundiales, cuando era difícil de obtener el NR. Igual que para la mayoría de los demás polímeros, la materia prima predominante de los hules sintéticos es el petróleo. A continuación se estudian los hules sintéticos de mayor importancia comercial:

FIGURA 2.6  Aumento de la rigidez como función del esfuerzo para tres grados de hule: natural, vulcanizado y duro. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

Esfuerzo

Hule duro

Hule vulcanizado (suave)

Hule natural crudo

Deformación

2.4 Compósitos  41

• Hule butilo  El hule butilo consiste en poliisobutileno (98-99%) y poliisopreno. Se vulcaniza para darle al hule una permeabilidad muy baja al aire, lo que tiene aplicaciones en productos inflables como cámaras interiores, revestimientos para neumáticos sin cámaras y artículos deportivos. • Hule cloropreno  Conocido como neopreno, el hule cloropreno es un elastómero importante de propósitos especiales. Es más resistente que el NR a los aceites, al clima, al ozono, al calor y a las llamas, pero algo más caro. Sus aplicaciones incluyen mangueras para combustible (y otras partes automotrices), bandas transportadoras y juntas, pero no neumáticos. • Hule de butadieno  El polibutadieno (BR) es importante sobre todo en combinación con otros hules. Está compuesto de hule natural y estireno (el hule de estireno-butadieno se estudia más adelante) y se emplea para producir neumáticos para automóviles. Solo, sus características de resistencia al desgarre y al esfuerzo, y de facilidad de procesamiento, lo hacen menos conveniente. • Hule estireno-butadieno  El SBR (styrene-butadien-rubber) es el elastómero del que se produce el mayor peso, con 40% del total de todos los hules producidos (el hule natural ocupa el segundo lugar por peso). Sus características atractivas son bajo costo, resistencia a la abrasión y mejor uniformidad que el NR. Cuando se refuerza con negro de humo y se vulcaniza, sus características y aplicaciones son similares a las del hule natural. Su costo también es similar. Una comparación rigurosa revela que la mayoría de sus propiedades mecánicas, excepto la resistencia al desgaste, son inferiores que las del NR, pero su resistencia al envejecimiento térmico, al ozono, al clima y a los aceites es superior. Las aplicaciones incluyen neumáticos para carros, calzado y aislamiento de alambres y cables. • Hule etileno-propileno  La polimerización de etileno y propileno con proporciones pequeñas de un monómero dieno produce etileno-propileno-dieno (EPDM), un hule sintético útil. Las aplicaciones son para piezas sobre todo en la industria automotriz, más que para neumáticos. Otros usos que tiene son para aislar alambres y cables. • Poliuretanos  Los poliuretanos (véase la sección 2.3.2) con entrecruzamientos mínimos son elastómeros, y es común que la mayoría se produzcan como espumas flexibles. En esta forma se emplean mucho como materiales para vestiduras de muebles y asientos de automóviles. El poliuretano que no es esponja se moldea en productos que van desde suelas de zapatos hasta defensas de coches, con el entrecruzamiento ajustado para obtener las propiedades que se quiere para la aplicación. Elastómeros termoplásticos  Un elastómero termoplástico (TPE) es un termoplástico que se

comporta como elastómero. Constituye una familia de polímeros que crece con rapidez en el mercado de elastómeros. Los TPE derivan sus propiedades elastoméricas no de los entrecruzamientos químicos, sino de las conexiones físicas entre las fases suave y dura que forman el material. La química y estructura de estos materiales por lo general son complejas e involucran materiales que son incompatibles, por lo que forman fases distintas con propiedades diferentes a temperatura ambiente. Debido a su termoplasticidad, los TPE no igualan a los elastómeros entrecruzados convencionales en cuanto a la resistencia a las temperaturas elevadas y al escurrimiento plástico. Sus aplicaciones comunes incluyen calzado, ligas, tubería extruida, recubrimiento de alambres y piezas moldeadas para automóviles, así como otros usos en los que se requieren propiedades elastoméricas. Los TPE no son apropiados para neumáticos.

2.4 Compósitos Además de los metales, cerámicos y polímeros, es posible distinguir una cuarta categoría de materiales: los compósitos. Un material compósito es un sistema de materiales compuesto por dos o más fases distintas físicamente cuya combinación produce propiedades agregadas diferentes de las de sus componentes. El interés tecnológico y comercial de los materiales compósitos proviene del hecho de que sus propiedades no sólo son distintas de las de sus componentes, sino que con frecuencia son mucho mejores. Algunas de las posibilidades incluyen las siguientes:

42  CAPÍTULO 2  Materiales en la ingeniería

• Es posible diseñar compósitos que sean muy fuertes y rígidos, pero de peso muy ligero, lo que les da relaciones resistencia-peso y rigidez-peso varias veces mayores que las del acero o el aluminio. Estas propiedades son muy deseables para aplicaciones que van de la aviación comercial al equipo deportivo. • Sus propiedades de fatiga por lo general son mejores que las de los metales comunes de ingeniería. Asimismo, es frecuente que la tenacidad sea mayor. • Se pueden diseñar compósitos que no se corroan como el acero; esto es importante en los automóviles y otras aplicaciones. • Con los materiales compósitos es posible obtener combinaciones de propiedades que no son alcanzables con los metales, cerámicos o polímeros. Junto con las ventajas, hay desventajas y limitaciones asociadas con los materiales compósitos. Éstas incluyen las siguientes: 1) las propiedades de muchos compósitos importantes son anisotrópicas, lo que significa que difieren de acuerdo con la dirección en que se miden; 2) muchos de los compósitos basados en polímeros son susceptibles al ataque de químicos o de solventes, igual que los polímeros en sí; 3) por lo general, los materiales compósitos son caros, y 4) algunos de los métodos de manufactura para dar forma a los materiales compósitos son lentos y costosos.

2.4.1  Tecnología y clasificación de los materiales compósitos Como se señaló en la definición, un material compósito consiste de dos o más fases distintas. El término fase indica un material homogéneo, como metal o cerámico en los que todos los granos tienen la misma estructura cristalina, o un polímero sin rellenos. Al combinar las fases, con los métodos por describirse, se crea un material nuevo con rendimiento agregado que supera al de sus partes. El efecto es sinérgico. Componentes de un material compósito  En la manifestación más sencilla de la definición

presentada, un material compuesto consiste en dos fases: una primaria y otra secundaria. La fase primaria forma la matriz en la que se encuentra incrustada la fase secundaria. En ocasiones a la fase incrustada se le denomina agente reforzador (o algún término similar), porque por lo general sirve para reforzar al compuesto. La fase reforzadora está en forma de triquitas, partículas o algunas otras, como se verá más adelante. Generalmente, las fases son insolubles una en la otra, pero puede haber gran adhesividad en la interfaz. La fase de la matriz es cualquiera de los tres tipos básicos de materiales: polímeros, metales o cerámicos. La fase secundaria también es uno de los tres materiales básicos, o un elemento como el carbono o el boro. Ciertas combinaciones no son factibles, como la de un polímero en una matriz cerámica. Las posibilidades incluyen dos estructuras de fase que consisten en componentes del mismo tipo de material, como fibras de Kevlar (polímero) en una matriz de plástico (polímero). El sistema de clasificación para los materiales compuestos que se usa en este libro se basa en la fase de la matriz. A continuación se listan las clases y se estudian en la sección 2.4.2: 1. Compósitos de matriz metálica (MMC, metal matrix composite). Incluyen mezclas de cerámicos y metales, como los carburos cementados y otros cermets, así como aluminio o magnesio reforzado por triquitas fuertes de alta rigidez. 2. Compósitos de matriz de cerámicos (CMC, ceramic matrix composite). Son los de la categoría menos común. El óxido de aluminio y el carburo de silicio son los materiales que es posible incrustar con triquitas para mejorar sus propiedades, en especial en aplicaciones de temperatura elevada. 3. Compósitos de matriz de polímero (PMC, polymer matrix composite). Las resinas termofijas son los polímeros de mayor uso como PMC. Es común mezclar epóxicos y poliéster con triquitas de refuerzo, y se mezcla fenol con polvos. Con frecuencia los compuestos de termoplástico moldeado se refuerzan con polvos. El material de la matriz desempeña varias funciones en el compuesto. En primer lugar, proporciona la forma general de la pieza o producto hecho del material compuesto. En segundo lu-

2.4 Compósitos  43

gar, mantiene la fase incrustada en su sitio, por lo general la encierra y con frecuencia la oculta. En tercer lugar, cuando se aplica una carga, la matriz comparte ésta con la fase secundaria, y en ciertos casos se deforma, de modo que la fuerza es soportada fundamentalmente por el agente reforzador. Es importante entender que el papel que desempeña la fase secundaria es el de reforzar a la primaria. Lo más común es que la fase incrustada tenga una de tres formas: triquitas, partículas u hojuelas. Las triquitas son filamentos de material de refuerzo, por lo general de sección transversal circular. Los diámetros varían de menos de 0.0025 mm (0.0001 pulg) a cerca de 0.13 mm (0.005 pulg), lo que depende del material. El refuerzo con triquitas proporciona la mayor oportunidad para mejorar la resistencia de las estructuras compuestas. En compuestos con triquitas reforzadoras es frecuente que éstas se consideren el constituyente principal, puesto que soportan la mayor parte de la carga. Las triquitas son de interés como agentes de refuerzo porque la mayor parte de materiales es significativamente más fuerte en forma de filamento que en otra voluminosa. Conforme el diámetro se reduce, el material se orienta en dirección del eje de la triquita y la probabilidad de que haya defectos en la estructura disminuye de manera significativa. Como resultado, la resistencia a la tensión aumenta mucho. Las triquitas que se emplean en los materiales compuestos son continuas o discontinuas. Las triquitas continuas son muy largas; en teoría, ofrecen una trayectoria continua de modo que una carga se ve soportada por la parte compuesta. En realidad, esto es difícil de lograr debido a las variaciones en el material fibroso y su procesamiento. Las triquitas discontinuas (secciones cortadas de fibras continuas) son de longitud corta. En los compuestos reforzados con triquitas se usan diferentes materiales. Éstos incluyen el vidrio (E y S; véase la tabla 2.12), carbono, boro, Kevlar, óxido de aluminio y carburo de silicio. La segunda forma común de la fase incrustada es la de partículas, cuyo tamaño varía entre microscópico y macroscópico. Las partículas son un material importante para los metales y cerámicos; en los capítulos 10 y 11 se estudia el carácter y la producción de los polvos de ingeniería. La distribución de las partículas en la matriz del compósito es al azar, y por ello la resistencia y otras propiedades del material por lo general son isotrópicas. Las hojuelas son básicamente partículas bidimensionales, plaquetas planas y pequeñas. Dos ejemplos de esta forma son los minerales de mica (silicatos de K y A) y talco (Mg3Si4O10(OH)2), que se usan como agentes reforzadores en los plásticos. Por lo general son materiales de costo menor que el de los polímeros, y dan resistencia y rigidez a los compuestos de plástico moldeado. Propiedades de los materiales compósitos  En la selección de un material compósito, en

general se busca una combinación óptima de propiedades en lugar de una propiedad en particular. Por ejemplo, el fuselaje y las alas de una aeronave deben ser tanto ligeros como fuertes, rígidos y tenaces. Es difícil encontrar un material monolítico que satisfaga estos requerimientos. Son varios polímeros reforzados con fibra los que poseen esta combinación de propiedades. Otro ejemplo es el hule. El hule natural es un material relativamente débil. A principios del siglo xx se descubrió que si se agregan cantidades significativas de negro de humo (carbono casi puro) al hule natural, su resistencia se eleva mucho. Los dos ingredientes interactúan para obtener un material compósito que es mucho más resistente que cualquiera de los dos por sí solo. Por supuesto, el hule también debe vulcanizarse para que adquiera toda su resistencia. El hule en sí es un aditivo útil para el poliestireno. Una de las propiedades distintivas y desventajosas del poliestireno es su fragilidad. Aunque la mayoría de otros polímeros tiene una ductilidad considerable, el PS no tiene virtualmente ninguna. Se agregan cantidades pequeñas (5 a 15%) de hule (natural o sintético) para obtener poliestireno de alto impacto, que es más tenaz y resistente a los impactos. Las triquitas ilustran la importancia de la forma geométrica. La mayoría de los materiales tienen resistencias a la tensión que son varias veces más grandes en forma de fibra que como cuerpo voluminoso. Sin embargo, las aplicaciones de las triquitas están limitadas por defectos de la superficie, abombamiento cuando se les sujeta a compresión, y las inconveniencias de la forma de un filamento cuando lo que se requiere es un componente sólido. Al incrustar las fibras en una

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matriz de polímero se obtiene un material compósito que evita los problemas de las fibras pero aprovecha sus resistencias. La matriz proporciona la forma de volumen para proteger las superficies de las triquitas y resistir el combamiento, y las triquitas tienden a transmitir su gran resistencia al compuesto. Cuando se aplica una carga, la matriz de resistencia baja se deforma y transmite la fuerza a las triquitas de resistencia alta, que de ese modo soportan la carga. Si algunas triquitas individuales se rompen, la carga se redistribuye a través de la matriz hacia otras triquitas.

2.4.2  Materiales compósitos En esta sección se analizan los tres tipos de materiales compósitos y sus aplicaciones: 1) compósitos de matriz metálica, 2) compósitos de matriz de cerámicos y 3) compósitos de matriz de polímero. Compósitos de matriz metálica  Los compuestos de matriz metálica (MMC) consisten en una matriz de metal reforzada por una segunda fase. Es común que las fases reforzadoras incluyan 1) partículas de cerámicos y 2) triquitas de materiales diversos, que abarcan otros metales, cerámicos, carbono y boro. Es común denominar a los MMC del primer tipo como cermets. Un cermet es un material compósito en el que un cerámico está contenido en una matriz metálica. Es frecuente que el cerámico domine la mezcla, pues a veces su volumen llega a ser de hasta 96%. El enlace puede mejorarse por medio de una solubilidad ligera entre las fases a temperaturas elevadas que se utilizan para procesar estos compósitos. Una categoría importante de los cermets es la de los carburos cementados. Carburos cementados Los carburos cementados están integrados por uno o más compuestos de carburo enlazados en una matriz metálica usando técnicas de procesamiento de partículas (sección 10.2). Los carburos cementados comunes se basan en los carburos de tungsteno (WC), de titanio (TiC) y de cromo (Cr3C2). También se emplea el carburo de tantalio (TaC) y otros, pero son menos comunes. Los aglutinantes metálicos principales son el cobalto y el níquel. Ya se estudiaron los cerámicos de carburo (véase la sección 2.2.2); constituyen el ingrediente principal de los carburos cementados, y es común que su contenido varíe de 80 a 95% del peso total. Las herramientas de corte son la aplicación más común de los carburos cementados, con base en el carburo de tungsteno. Otras aplicaciones de los carburos cementados de WC-Co incluyen los dados para estirar alambre, brocas para taladros de roca y otras herramientas de minería, dados para metalurgia de polvos, indentadores para probadores de dureza, y otras aplicaciones en las que la dureza y resistencia al desgaste son requerimientos de importancia crítica. Los cermets de carburo de titanio se emplean principalmente en aplicaciones de alta temperatura. Las aplicaciones incluyen alabes de turbinas de gas, asientos de las válvulas, tubos de protección de termopares, boquillas de sopletes y herramientas rotatorias de trabajo en caliente. El TiC-Ni también se emplea como material de las herramientas de corte en las operaciones de maquinado. Los compósitos de matriz metálica reforzados con triquitas son de interés debido a que combinan la resistencia al esfuerzo y el módulo de elasticidad elevados de una fibra con metales de densidad baja, lo que arroja buenas relaciones de resistencia a peso y rigidez a peso para el material compósito resultante. Los metales comunes que se emplean como matriz de densidad baja son el aluminio, el magnesio y el titanio. Algunos de los materiales de fibra importantes que se emplean en los compósitos son el Al2O3, boro, carbono y SiC. Compósitos de matriz cerámica  Los cerámicos tienen ciertas propiedades atractivas: rigidez,

dureza, dureza en caliente y resistencia a la compresión elevadas, así como densidad relativamente baja. Los cerámicos también tienen varias desventajas: pocas tenacidad y resistencia a la tensión volumétrica, y son susceptibles de sufrir agrietamiento térmico. Los compósitos de matriz cerámica (CMC) representan un intento de conservar las propiedades deseables de los cerámicos, al tiempo que compensan su debilidad. Los CMC consisten en una fase primaria de cerámico incrustada en una secundaria. A la fecha, el trabajo más fructífero se ha centrado en el uso de triquitas como fase secundaria. El éxito no ha sido del todo el esperado. Las dificultades técnicas incluyen compatibilidad térmica y química de los constituyentes de los CMC durante el procesamiento. Asimismo, igual que con cualquier material cerámico, deben tomarse en cuenta las limitaciones de la forma de la pieza.

2.4 Compósitos  45

Los materiales cerámicos empleados como matrices incluyen la alúmina (Al2O3), carburo de boro (B4C), nitruro de boro (BN), carburo de silicio (SiC), nitruro de silicio (Si3N4), carburo de titanio (TiC) y varios tipos de vidrio. Algunos de estos materiales aún están en la etapa de desarrollo como matrices para CMC. Los materiales fibrosos en los CMC incluyen carbono, SiC y Al2O3. Compósitos de matriz de polímero  Un compósito de matriz de polímero (PMC) consiste en

una fase primaria de polímero en la que está incrustada una fase secundaria en forma de triquitas, partículas u hojuelas. En el comercio, los PMC son los más importantes de las tres clases de compósitos sintéticos. Incluyen la mayoría de compuestos de plástico moldeado, hule reforzado con negro de humo y polímeros reforzados con triquitas (FRP). Un polímero reforzado con triquitas es un material compósito que consiste en una matriz de polímero incrustada con triquitas de alta resistencia. Por lo general, la matriz de polímero es un plástico termofijo como el poliéster insaturado o epóxico, pero también se emplean los polímeros termoplásticos, como los nylons (poliamidas), policarbonato, poliestireno y cloruro de polivinilo. Además, los elastómeros también se refuerzan con triquitas para productos de hule como neumáticos y bandas transportadoras. Las triquitas de los CMP adoptan formas diversas: discontinua (en trozos), continua o tejido como tela. Los materiales principales de las triquitas en los FRP son el vidrio, el carbono y el Kevlar 49. Las triquitas menos comunes incluyen boro, SiC y Al2O3, y el acero. El vidrio (en particular el vidrio E) es el material de triquitas más común en los FRP de hoy; su uso como reforzador de plásticos data aproximadamente de 1920. La forma más usada de los FRP es una estructura laminar, hecha por el apilamiento y unión de capas delgadas de triquitas y polímero hasta que se obtiene el espesor deseado. Al variar la orientación de las triquitas entre las capas se logra el nivel de anisotropía especificado en las propiedades del laminado. Este método se emplea para formar piezas de sección transversal delgada como alas y secciones del fuselaje de los aviones, paneles de carrocería de autos y camiones y cascos de embarcaciones. Existe cierto número de características atractivas que distinguen a los plásticos reforzados con triquitas entre los materiales de la ingeniería. Las más notables son 1) relación elevada resistencia a peso, 2) razón grande rigidez a peso y 3) gravedad específica baja. Un FRP común pesa sólo la quinta parte que el acero, pero su resistencia y módulo son similares en la dirección de las triquitas. Durante las últimas tres décadas ha habido un crecimiento sostenido en la aplicación de polímeros reforzados con triquitas en productos que requieren mucha resistencia y poco peso, con frecuencia como sustitutos de metales. La industria aeroespacial es uno de los usuarios más grandes de los materiales compósitos. Los diseñadores luchan de manera continua para reducir el peso de las aeronaves a fin de incrementar la eficiencia del combustible y la capacidad de carga. Las aplicaciones de materiales compósitos en la aviación tanto militar como comercial han crecido en forma sostenida. Gran parte del peso estructural de los aviones y helicópteros de hoy día consiste en FRP. El nuevo Boeing 787 Dreamliner tiene 50% (por su peso) de materiales compósitos (plástico reforzado con triquitas de carbono). Esto es alrededor de 80% del volumen del avión. Los materiales compósitos se usan para el fuselaje, las alas, la cola, las puertas y los interiores. En comparación, el Boeing 777 tiene sólo 12% de materiales compósitos aproximadamente (por su peso). La industria automotriz es otro usuario importante de FRP. Las aplicaciones más obvias de los FRP son en paneles de la carrocería de autos y camiones. Los FRP se han adoptado ampliamente para el equipo recreativo y deportivo. El plástico reforzado con triquitas de vidrio se ha empleado para cascos de embarcaciones desde la década de 1940. Las cañas de pescar fueron otra aplicación temprana. Hoy día, los FRP se hallan representados en un conjunto amplio de productos deportivos, incluyendo raquetas para tenis, palos de golf, cascos de futbol, arcos y flechas, esquís y ruedas de bicicleta. Además de los FRP, otros PMC contienen partículas, hojuelas y triquitas cortas. Los ingredientes de la fase secundaria reciben el nombre de rellenos cuando se usan en compuestos de polímeros moldeados. Los rellenos se dividen en dos categorías: 1) refuerzos y 2) extensores. Los

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rellenos de refuerzo sirven para dar resistencia o mejorar de otro modo las propiedades mecánicas del polímero. Los ejemplos comunes incluyen: aserrín y polvo de mica en resinas fenólicas y de aminas para incrementar la resistencia, resistencia a la abrasión y estabilidad dimensional; y negro de humo en el hule para mejorar su resistencia, resistencia al corte y al desgaste. Los extensores sencillamente incrementan el volumen y reducen el costo por unidad de peso del polímero, pero tienen poco o ningún efecto sobre sus propiedades mecánicas. Los extensores se formulan para mejorar las características del moldeo de la resina. Los polímeros esponjosos (véase la sección 8.11) son una forma de compósito en los que burbujas de gas están incrustadas en una matriz de polímero. La espuma de poliestireno y la espuma de poliuretano son los ejemplos más comunes. La combinación de la densidad casi igual a cero del gas y la densidad relativamente baja de la matriz hacen que estos materiales sean de peso ligero en extremo. La mezcla de gas también conlleva conductividad térmica muy baja para aplicaciones en las que se requiere aislamiento del calor.

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Preguntas de repaso   2.1. ¿Cuáles son algunas de las propiedades generales que distinguen a los metales de los materiales cerámicos y polímeros?   2.2. ¿Cuáles son los dos grupos principales de metales? Defínalos.   2.3. ¿Qué es una aleación?   2.4. ¿Cuál es el rango de los porcentajes de carbono que definen como acero a una aleación de hierro-carbono?

  2.5. ¿Cuál es el rango de los porcentajes de carbono que definen como hierro fundido a una aleación de hierro-carbono?   2.6. Identifique algunos de los elementos comunes de aleación, además del carbono, en los aceros de baja aleación.   2.7. ¿Cuál es el elemento de aleación predominante en todos los aceros inoxidables?   2.8. ¿Por qué se llama así el acero inoxidable austenítico?

Preguntas de repaso   47

  2.9. Además del alto contenido de carbono, ¿qué otros elementos de aleación son característicos de los hierros fundidos? 2.10. Identifique algunas de las propiedades por las que es notable el aluminio. 2.11. ¿Cuáles son algunas de las propiedades más destacadas del magnesio? 2.12. ¿Cuál es la propiedad del cobre más importante para la ingeniería y qué determina la mayor parte de sus aplicaciones? 2.13. ¿Cuáles elementos se alean por tradición con el cobre para formar a) bronce y b) latón? 2.14. ¿Cuáles son las aplicaciones más importantes del níquel? 2.15. ¿Cuáles son las propiedades más notables del titanio? 2.16. Mencione algunas de las aplicaciones importantes del zinc. 2.17. Las superaleaciones se dividen en tres grupos básicos, de acuerdo con el metal base que se utiliza en la aleación. Mencione los grupos. 2.18. ¿Qué tienen de especial las superaleaciones? ¿Qué las distingue de las demás aleaciones? 2.19. ¿Qué es un cerámico? 2.20. ¿Cuál es la diferencia entre los cerámicos tradicionales y los nuevos? 2.21. ¿Cuál es la característica que diferencia al vidrio de los cerámicos tradicionales y los nuevos? 2.22. ¿Cuáles son las propiedades mecánicas generales de los materiales cerámicos? 2.23. ¿Qué tienen en común la bauxita y el corindón? 2.24. ¿Qué es la arcilla, que se emplea para fabricar productos cerámicos? 2.25. ¿Cuáles son algunas de las aplicaciones principales de los carburos cementados, como el WC-Co? 2.26. ¿Cuál es una de las aplicaciones importantes del nitruro de titanio, según se dice en el texto? 2.27. ¿Cuál es el mineral primario de los productos de vidrio? 2.28. ¿Qué significa el término desvitrificación? 2.29. ¿Qué es un polímero?

2.30. ¿Cuáles son las tres categorías básicas de los polímeros? 2.31. ¿Cómo se comparan las propiedades de los polímeros respecto de las de los metales? 2.32. ¿Qué es el entrecruzamiento de un polímero y cuál es su importancia? 2.33. ¿De qué grupo de polímeros son miembros los nylons? 2.34. ¿Cuál es la fórmula química del etileno, el monómero del polietileno? 2.35. ¿En qué difieren las propiedades de los polímeros termofijos de las de los termoplásticos? 2.36. El entrecruzamiento (curado) de los plásticos termofijos se lleva a cabo por una de tres maneras. Mencione estas tres. 2.37. Los polímeros elastómeros y termofijos son entrecruzados. ¿Por qué son tan diferentes sus propiedades? 2.38. ¿Cuál es el ingrediente polimérico principal del hule natural? 2.39. ¿En qué difieren los elastómeros termoplásticos de los hules convencionales? 2.40. ¿Qué es un material compósito? 2.41. Identifique algunas de las propiedades características de los materiales compósitos. 2.42. ¿Qué significa el término anisotrópico? 2.43. Mencione las tres categorías básicas de los materiales compósitos. 2.44. ¿Cuáles son las formas comunes de la fase de refuerzo en los materiales compósitos? 2.45. ¿Qué es un cermet? 2.46. ¿Qué clase de compósitos son los carburos cementados? 2.47. ¿Cuáles son algunas de las debilidades de los cerámicos que pueden corregirse en los compósitos de matriz cerámica reforzados con triquitas? 2.48. ¿Cuál es el material más común para las triquitas que se usan en los plásticos reforzados con ellas? 2.49. Identifique algunas de las propiedades importantes de los materiales compósitos de plástico reforzado con triquitas. 2.50. Mencione algunas de las aplicaciones importantes de los FRP.

3

Propiedades de los materiales de ingeniería

CONTENIDO DEL CAPÍTULO 3.1

Relaciones esfuerzo-deformación 3.1.1 Propiedades a la tensión 3.1.2 Propiedades a la compresión 3.1.3 Doblado y prueba de materiales frágiles 3.1.4 Propiedades al cortante 3.2 Dureza 3.2.1 Pruebas de dureza 3.2.2 Dureza de distintos materiales 3.3 Efecto de la temperatura sobre las propiedades mecánicas

3.4 3.5 3.6

3.7

Propiedades de los fluidos Comportamiento viscoelástico de los polímeros Propiedades volumétricas y de fusión 3.6.1 Densidad y expansión térmica 3.6.2 Características de fusión Propiedades térmicas 3.7.1 Calor específico y conductividad térmica 3.7.2 Propiedades térmicas en la manufactura

Las propiedades de un material de ingeniería determinan su respuesta a las diferentes formas de energía que se usan en los procesos de manufactura. Si el material responde bien a las fuerzas, temperaturas y otros parámetros físicos generados en un proceso particular, el resultado es una operación exitosa que produce una pieza o un producto de alta calidad. Las propiedades de los materiales pueden dividirse en dos categorías: mecánicas y físicas. Las propiedades mecánicas de un material determinan su comportamiento cuando se le somete a esfuerzos mecánicos. Estas propiedades incluyen rigidez, ductilidad, dureza y distintas medidas de la resistencia. Las propiedades mecánicas son importantes en el diseño porque el funcionamiento y rendimiento de un producto dependen de su capacidad para resistir la deformación ante los esfuerzos a que se le somete durante su uso. En el diseño, el objetivo del producto y sus componentes consiste en resistir dichos esfuerzos sin que su geometría cambie de manera significativa. Esta capacidad depende de propiedades como el módulo de elasticidad y la resistencia a la cedencia. En la manufactura el objetivo es el opuesto. En ella se desea aplicar esfuerzos que excedan a la cedencia del material a fin de alterar su forma. Procesos mecánicos como el conformado y el maquinado tienen éxito debido al desarrollo de fuerzas que excedan la resistencia del material ante la deformación. Así, se tiene el dilema siguiente: las propiedades mecánicas que resultan deseables para el diseñador, como resistencia elevada, por lo general hacen que la manufactura del producto sea más difícil. Las propiedades físicas definen el comportamiento de los materiales en respuesta a fuerzas físicas distintas de las mecánicas. Incluyen las propiedades volumétricas y térmicas, así como las características de fusión. Las propiedades físicas son importantes en la manufactura porque es frecuente que influyan en el rendimiento del proceso. Las características de fusión son importantes en las operaciones de colado de metales. Los metales con temperaturas de fusión más altas requieren mayor entrada de calor antes de verter el metal fundido en el molde. En el maquinado, las propiedades térmicas del material determinan la temperatura de corte, lo que afecta el tiempo que puede usarse la herramienta antes de que falle.

3.1 Relaciones esfuerzo-deformación  49

En este capítulo analizaremos las propiedades de los materiales de ingeniería que son más relevantes para los procesos de manufactura cubiertos por el libro. Las propiedades mecánicas se estudian en las secciones 3.1 a 3.5, y las propiedades físicas se analizan en las secciones restantes.

3.1  Relaciones esfuerzo-deformación Existen tres tipos de esfuerzos mecánicos estáticos a los que se sujetan los materiales: tensión, compresión y cortante. Los esfuerzos de tensión tienden a estirar al material, las de compresión a compactarlo, y los cortantes comprenden esfuerzos que tienden a ocasionar que porciones adyacentes del material se deslicen una respecto a la otra. La curva esfuerzo-deformación es la relación básica que describe las propiedades mecánicas para los tres tipos de esfuerzos.

3.1.1  Propiedades a la tensión La prueba de tensión es el procedimiento más común para estudiar la relación esfuerzo-deformación, en particular para los metales. Durante la prueba se aplica una fuerza que tira del material y tiende a estirarlo y reducir su diámetro, como se ilustra en la figura 3.1a). Los estándares de la ASTM (American Society for Testing and Materials) especifican el modo de preparación del espécimen de prueba (probeta) y de la realización de la prueba misma. En la figura 3.1b) y c) se ilustran la probeta común y la preparación general de la prueba, respectivamente. La probeta con que se inicia la prueba tiene una longitud original Lo y un área Ao. La longitud se mide como la distancia entre las marcas de medición, y el área como la sección transversal (circular, por lo general) de la probeta. Durante la prueba de un metal, la probeta se estira, luego le aparece un estrangulamiento y por último se fractura, como se muestra en la figura 3.2. La carga y el cambio de longitud de la probeta se registran conforme la prueba se efectúa a fin de obtener los datos que se requieren para determinar la relación esfuerzo-deformación. Hay dos tipos diferentes de curvas esfuerzo-deformación: 1) la curva de esfuerzo-deformación de ingeniería y 2) la de esfuerzo-deformación verdadera. La primera es más importante para el diseño, y la segunda lo es para la manufactura.

F

A

Cabezal fijo

Ao

F Columna

Espécimen de prueba (probeta)

F Marcas de medición

Lo

L

Cabezal móvil F

v

Lo

Mesa F

Base y actuador

F

1)

2) a)

b)

c)

FIGURA 3.1  Prueba de tensión: a) la fuerza de tensión que se aplica en 1) y 2) da como resultado el estiramiento del material, b) probeta común y c) configuración de la prueba de tensión. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

16:3:56

Page 51

50  CAPÍTULO 3  Propiedades de los materiales de ingeniería

Section 3.1/Stress–Strain Relationships

51

F

F F

Estrangulamiento

Lo

Lf

F F 1)

2)

F

3)

4)

5)

6)

FIGURA 3.2  Desarrollo común de una prueba de tensión: 1) inicio de la prueba, sin carga; 2) estiramiento uniforme y reducción del área de la sección transversal; 3) continuación del estiramiento, se alcanzaFIGURE la carga máxima; 4) formación de unofestrangulamiento, la carga comienza disminuir, y 5) (2) fractura. Si 3.2 Typical progress a tensile test: (1) beginning of atest, no load; uniform loselongation elementos seand unenreduction como se ilustra en 6), es posible medir longitud final. (Crédito: Fundamentals of of cross-sectional area;la(3) continued elongation, maximum Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. autorización de John Wiley & load reached; (4) necking begins, load begins to Reimpreso decrease;con and (5) fracture. If pieces Sons, Inc.)

are put back together as in (6) , final length can be measured. (Credit: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4th Edition by Mikell P. Groover, 2010. Reprinted with permission of John Wiley & Sons, Inc.) Esfuerzo-deformación de ingeniería  El esfuerzo-deformación de ingeniería en una prueba de Engineering Stress–Strain The engineering stress and strain in a tensile are tensión que se define en relación con el área y la longitud originales de la probeta. Dichostest valores defined relative to the original area and length of the test specimen. These values are son de interés en el diseño debido a que el diseñador espera que las deformaciones experimentaof interest in design because the designer expects that the strains experienced by any das por cualquier componente del producto no cambiarán su forma de manera significativa. Los componentestán of the productpara will soportar not significantly change shape.encontrarán The components componentes diseñados los esfuerzos que its se prevé durante are su designed to withstand the anticipated stresses encountered in service. uso. A figura typical3.3 engineering stress–strain curve a tensile test of de a metallic specimen En la se ilustra una curva común del from esfuerzo-deformación ingeniería de una is illustrated in Figure 3.3. The engineering stress at any point on the curve is defined as prueba de tensión de una probeta metálica. El esfuerzo de ingeniería (ingenieril) en cualquier the force divided by the original area: punto de la curva se define como la fuerza dividida entre el área original:

s¼

F (3.1) (3.1) Ao

Carga máxima TS Fractura

FIGURE 3.3 Typical engineering stress–strain FIGURA Gráfica plot in a3.3  tensile testnormal of a del esfuerzo-deformación de ingeniemetal. (Credit: Fundamentals ríaof durante unaManufacturing, prueba de tensión Modern th metal. (Crédito: Fundamende4un Edition by Mikell tals Modern Manufacturing, 4a. P.ofGroover, 2010. Reprinted ed., de Mikell P. Groover, 2010. with permission of John Reimpreso con autorización de Wiley & Sons, Inc.) John Wiley & Sons, Inc.)

Stress, sse (lb/in.2)

08/16/2011

Esfuerzo, se (lb/pulg2)

C03

Y Región plástica

Región elástica

Compensación (desviación de 0.2%) Deformación, e

52

3.1 Relaciones esfuerzo-deformación  51

Chapter 3/Properties of Engineering Materials

where s ¼ engineering stress, MPa (lb/in2), F ¼ applied force in the test, N (lb), and A ¼ donde s = esfuerzo ingenieril, MPa (lb/pulg22), F 2= fuerza aplicada durante la prueba, N (lb) y oAo original area of the test specimen, mm (in ). The engineering strain at any point in the = área original de la probeta, mm2 (pulg2). La deformación ingenieril en cualquier punto de la test is given by prueba está dada por L � Lo (3.2) e¼ (3.2) Lo donde e =edeformación ingenieril, (pulg/pulg); en cualquier duranwhere ¼ engineering strain,mm/mm mm/mm (in/in); LL = ¼ longitud length at any pointpunto during the te elongation, el estiramiento, mm (pulg), y L = longitud de medición original, mm (pulg). Las unidades de o mm (in); and Lo ¼ original gage length, mm (in). The units of engineering la strain deformación ingenieril se dan como mm/mm (pulg/pulg), pero puede concebirse que represenare given as mm/mm (in/in), but we can think of it as representing elongation per tanunit estiramiento por unidad de longitud, sin unidades. length, without units. La relación esfuerzo-deformación deinlaFigure figura 3.3 dos regions, regiones que indicantwo dos distinct modos The stress–strain relationship 3.3tiene has two indicating distintos de comportamiento: 1) elástico y 2) plástico. En la región elástica, la relación entre el forms of behavior: (1) elastic and (2) plastic. In the elastic region, the relationship esfuerzo y la deformación es lineal, y el material muestra un comportamiento elástico porque between stress and strain is linear, and the material exhibits elastic behavior by returning regresa su longitud original si lathe carga (esfuerzo) La relación está definida por la to itsaoriginal length when load (stress) se is interrumpe. released. The relationship is defined by leyHooke’s de Hooke: law : s = Ee(3.3) s ¼ Ee (3.3)



donde E = módulo de elasticidad, MPa (lb/pulg2), 2que es una medida de la rigidez inherente del where Es E¼ modulus ofde elasticity, MPa (lb/in a measure of the inherent stiffness of a material. una constante proporcionalidad cuyo),valor es diferente para materiales distintos. a constant of comunes proportionality whose value metales is different for different Enmaterial. la tabla 3.1Itseispresentan valores para varios materiales, y no metales. materials. 3.1 presents typical valuesun forpunto several metals anden nonmetals. ConformeTable el esfuerzo aumenta, se alcanza finalmaterials, en la relación lineal el que el stress increases, some point in the linear relationship finally reached at which material As comienza a ceder. Ese punto de cedencia, Y, del material seisidentifica en la figura por material begins toalyield. This yield lineal. point Debido Y of the material can bedeidentified in the el the cambio de la pendiente final de la región a que el comienzo la deformación by theeschange in slope thegráfica end ofdethe linear region.(regularmente Because the start of yielding porfigure lo general difícil de ver enat una datos de prueba no ocurre como usuallyabrupto difficult in a plot es of común test data (it does usually occurcon as an change uniscambio detolasee pendiente), definir a Y not como el esfuerzo el abrupt que ocurre un in slope), Y is typically as the which strainmás offset of 0.2% the avance de la deformación de defined 0.2% a partir destress la líneaatrecta. Enaforma específica, es from el punto hasesfuerzo-deformación occurred. More specifically, it is interseca the pointuna where stress–strain curve enstraight el que laline curva del material rectathe paralela a la porción forde the intersects is parallel to the the curve but recta la material curva, pero desviada adeline ella that por una deformación destraight 0.2%. Elportion punto deofcedencia es una offset fromdeitlaby a strain del of material, 0.2%. The yield is a strength characteristic of the característica resistencia y por ellopoint es frecuente hacer referencia a él como el material, and is(otros therefore often to esfuerzo as the yield strengthy límite (otherelástico). names include límite de cedencia nombres quereferred recibe son de cedencia yield stressde and elastic limit). El punto deformación marca la transición hacia la región plástica y el comienzo de la The plástica yield point marks the to the plastic region and the start of plastic deformación del material. Latransition relación entre el esfuerzo y la deformación ya no estará deformation thedematerial. The relationship between stress strain is no longer determinada por of la ley Hooke. Conforme se incrementa la carga másand allá del punto de cedenguided by Hooke’s law.del Asmaterial, the load pero is increased beyond point, elongation the cia, continúa la elongación a una tasa muchothe másyield rápida que la anterior, loofque ocasiona que la pendiente de la curva cambie en forma considerable, como se aprecia en la figura 3.3. La elongación va acompañada de una reducción uniforme del área de la sección transverTABLE 3.1

Elastic modulus for selected materials. Modulus of Elasticity

Modulus of Elasticity

TABLA 3.1  Módulo de elasticidad para materiales 2seleccionados

Metals

Aluminum and alloys Cast iron Metales Copper and alloys Aluminio y sus aleaciones Iron Hierro fundido Leady sus aleaciones Cobre Magnesium Hierro Nickel Plomo Steel Magnesio Titanium Níquel Tungsten Acero

MPa

Ceramics and polymers

lb/in

69 Módulo � 103 de elasticidad 10 � 106 3 138 � 10 20 lb/pulg � 106 2 MPa 3 110 � 10 3 16 � 106 6 69 × 103 10 × 10 209 � 10 3 30 � 106 6 138 × 103 20 × 10 21 � 10 3 3 � 106 6 110 × 103 16 × 10 6 48 �×10 7 30 �× 1010 6 209 103 3 6 20921�×10 30 � 10 6 103 3 3 × 10 6 20948�×10 30 �7 × 1010 6 103 3 6 3 117 � 10 17 � 10 209 × 10 30 × 106 3 6 3 6 407 � 10 59 �× 1010 209 × 10 30

Alumina a Diamond Cerámicos y polímeros Plate glass Alúmina Silicon carbide Diamantea Tungsten carbide Vidrio plano Nylon Carburo de silicio Phenol Carburoformaldehyde de tungsteno Polyethylene (low density) Nylon Polyethylene (high density) Fenol formaldehído Polystyrene Polietileno (de baja densidad)

Titanio from [8], [11], [12], [16], 117 Polietileno (de alta densidad) 10 other sources. 17 × 10 Compiled [17],×and 3 6 aTungsteno 407 × 10 59 × 10 Although diamond is not a ceramic, it is often compared with the Poliestireno ceramic materials. 3

6

Compilado de las referencias [8], [11], [12], [16], [17], y de otras fuentes. a Aunque el diamante no es una cerámica, con frecuencia se le compara con esos materiales.

MPa

lb/in2

3 elasticidad Módulo 345 � 10de 50 � 106 3 1035 � 10 150 �2106 MPa lb/pulg 3 69 � 10 10 � 106 345 × 103 3 50 × 106 6 448 � 10 65 � 10 1 035 × 103 3 150 × 106 6 552 � 310 80 � 10 69 × 10 3 10 × 106 6 3.0 � 10 0.40 �6 10 3 448 × 10 3 65 × 10 7.0× � 1.00 �6 106 552 103103 80 × 10 0.2× � 0.03 �6 106 3.0 103103 0.40 × 10 0.7× � 0.10 �6 106 7.0 10310 1.00 × 10 3 3.0× � 0.40 �6 106 0.2 10310 0.03 × 10

0.7 × 103 3.0 × 103

0.10 × 106 0.40 × 106

C03

08/16/2011

16:3:56

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52  CAPÍTULO 3  Propiedades de los materiales de ingeniería

TABLE 3.2

53 53

Section 3.1/Stress–Strain Relationships Section 3.1/Stress–Strain Relationships

Yield strength and tensile strength for selected metals.

TABLA 3.2  Resistencia a la cedencia y resistencia a lafor tensión de metales seleccionados TABLE 3.2 Yield strength and tensile strength selected metals. Resistencia

Metal Metal

Metal Aluminum, annealed Aluminio, recocido Aluminum,aannealed a Aluminum, Aluminio, CW CWa Aluminum, CW a a Aleaciones de aluminio Aluminum alloysa Aluminum alloys Hierro Cast colado ironaa a Cast iron Cobre, recocido Copper, annealed Copper, annealed a a Aleaciones de cobre Copper alloys a a Copper alloys Aleaciones de magnesio Magnesium alloysaa Magnesium alloys

Strength aYield la cedencia Yield Strength MPa lb/in222 MPa lb/pulg MPa lb/in 28 4,000 4 000 28 28 4,000 105 15,000 15 000 105 105 15,000 25 000 175 175 25,000 175 25,000 40 000 275 275 40,000 275 40,000 10 000 70 70 10,000 70 10,000 30 000 205 205 30,000 205 30,000 25 000 175 175 25,000 175 25,000

Tensile Resistencia Tensile Strength a Strength la tensión MPa MPa

MPa 69 69 69 125 125 125 350 350 350 275 275 275 205 205 205 410 410 410 275 275 275

Resistencia

2

lb/in2 2 lb/pulg lb/in 10,000 10 000 10,000 18,000 18 000 18,000 50 000 50,000 50,000 40 000 40,000 40,000 30 000 30,000 30,000 60 000 60,000 60,000 40 000 40,000 40,000

Metal Metal

Metal Nickel,recocido annealed Níquel, Nickel, annealed Steel, bajo low Caaa Acero, Steel, low Ca a Acero, Steel, alto highCC Steel, high aCa a Acero, Steel, aleaciones alloy Steel, alloya aa Acero, Steel, inoxidable stainlessa Steel, stainless Titanio, puropure Titanium, Titanium, de pure Aleaciones titanio Titanium alloy Titanium alloy

Yield Strength a la cedencia Yield Strength MPa lb/in22 2 MPa lb/pulg MPa lb/in 150 22,000 22 000 150 150 22,000 175 25,000 25 000 175 175 25,000 60 000 400 400 60,000 400 60,000 75 000 500 500 75,000 500 75,000 40 000 275 275 40,000 275 40,000 50 000 350 350 50,000 350 50,000 120 000 800 800 120,000 800 120,000

Tensile Resistencia Tensile Strength a la tensión Strength MPa MPa MPa 450 450 450 300 300 300 600 600 600 700 700 700 650 650 650 515 515 515 900 900 900

2

lb/in2 2 lb/pulg

lb/in 65,000 65 000 65,000 45,000 45 000 45,000 90 000 90,000 90,000 100 000 100,000 100,000 95 000 95,000 95,000 75 000 75,000 75,000 130 000 130,000 130,000

Compilada a partir de las referencias [8], [11], [12], [17], y de otras fuentes. Compiled from [8], [11], [12], [17], and other sources. a Los valores dados son comunes. Para las aleaciones hay un rango amplio de los valores de resistencia, en función de su composición y tratamiento (por Compiled from [8], [11], [12], [17], and other sources. a given are typical. For alloys, there is a wide range in strength values depending on composition and treatment (e.g., heat treatment, aValuestratamiento ejemplo, térmico yFor endurecimiento Values given are typical. alloys, therepor is atrabajo). wide range in strength values depending on composition and treatment (e.g., heat treatment,

work hardening). work hardening).

specimen proceeds, but at a much faster rate than before, causing the slope of the curve to specimen proceeds, but at a much faster rate than before, causing the slope of the curve to sal, consistente con el mantenimiento un volumen constante. is Poraccompanied último, la carga F change dramatically, as shown inde Figure 3.3. Elongation by aplicada a uniform change dramatically, as shown in Figure 3.3. Elongation is accompanied by a uniform alcanza un valor máximo, y el esfuerzo ingenieril calculado en ese punto se denomina resistencia reduction in cross-sectional area, consistent with maintaining constant volume. Finally, reduction in cross-sectional area, consistent with maintaining constant volume. Finally, a la o resistencia última a la tensiónvalue, del material. denota como TS, donde TS =at F this / thetensión applied load F reaches a maximum and theSe engineering stress calculated the applied load F reaches a maximum value, and the engineering stress calculated atmáx this Aopoint . TS y Y propiedades importantes resistenciatensile para losstrength cálculos of del the diseño (tambiénItseis is son called the tensile strengthdeorla ultimate material. point is called the tensile strength or ultimate tensile strength of the material. It is lesdenoted usa paraashacer los deTS manufactura). tabla 3.2important se listan algunos valores comunes de la TS la and Y are strength properties in design TS where ¼ F /Ao. En denoted as TS where TS ¼ Fmax max/Ao. TS and Y are important strength properties in design resistencia a la cedencia resistencia tensión para metales seleccionados. pruebas concalculations (they arey also used ina la manufacturing calculations). Some Las typical values of calculations (they are also used in manufacturing calculations). Some typical values of vencionales de resistencia a la strength tensión son y se emplea una yield strength and tensile aredifíciles listed de in hacer Tablepara 3.2 los for cerámicos, selected metals. Convenyield strength and strength are de listed in Table 3.2frágiles for selected la metals. Convenprueba paratensile medir la resistencia esos sección 3.1.3). tionalalternativa tensile testing of ceramics is difficult, andmateriales an alternative test(véase is used to measure the tional tensile testing of ceramics is difficult, and an alternative test is used to measure the Los polímeros de los metales y los(Section cerámicos en susPolymers propiedades de resistencia a strength of difieren these brittle materials 3.1.3). differ in their debido strength strength of these brittle materials (Section 3.1.3). Polymers differ in their strength la properties plasticidad (véase la sección from metals and3.5). ceramics due to viscoelasticity (Section 3.5). properties fromdemetals and ceramics due to (Section 3.5). la carga coA laTo derecha laofresistencia a la tensión, enviscoelasticity la curva esfuerzo-deformación, the right the tensile strength on the stress–strain curve, the load begins to To the right of the tensile strength on the stress–strain the load begins to mienza a declinar es común que latypically probeta comience un proceso de curve, elongación localizada que decline, and they test specimen begins a process of localized elongation known decline, and the test specimen typically begins a process of localized elongation known seasconoce comoInstead estrangulamiento. En to lugar de continuar deformaciónits uniforme todo lo necking. of continuing strain uniformlylathroughout length, astraining as necking. Instead of continuing to strain uniformly en throughout itspequeña length,de straining largo de su longitud, comienza a concentrarse la deformación una sección la probecomes concentrated in one small section of the specimen. The area of that section becomes concentrated in one small section of de themanera specimen. The area ofque that section beta. El áreadown de esa secciónsignificantly se angosta (se estrangula) hasta sobrevienarrows (necks) until failure occurs. Thesignificativa stress calculated immediately narrows down (necks) significantly until failure occurs. The stress calculated immediately nebefore la falla.failure El esfuerzo calculado is known as theinmediatamente fracture stress.antes de la falla se conoce como esfuerzo de before failure is known as the fracture fractura.The amount of strain that the stress. material can endure before failure is also a The amount of strainque that material the material endure antes before failure is laalso La cantidad de deformación es capazcan de soportar de common que ocurra fallaa mechanical property of interest inelmany manufacturing processes. The measure mechanical property of interest in many manufacturing processes. The common measure también una propiedad mecánica de interés muchos procesos destrain manufactura. mediof thises property is ductility, the ability of apara material to plastically withoutLa fracture. of this property ispropiedad ductility,es the ability of a material plastically fracture. ción común de estacan que es lato capacidad questrain tiene without unElongation material parais This measure be taken laasductilidad, either elongation or area reduction. This measure can be taken as either elongation or area reduction. Elongation is deformarse defined asplásticamente sin sufrir una fractura. Esta medición se toma ya sea como elongación defined as o como reducción del área. La elongación se define como Lf � L o EL ¼ Lf � Lo (3.4) (3.4) (3.4) EL ¼ Lo Lo length where ¼ elongation, expressed as asepercent; f ¼ specimen donde ELEL = elongación, que often de manera frecuente expresa L como un porcentaje; Lf at = fracture, longitud where EL ¼ elongation, often expressed as a percent; L f ¼ specimen length at fracture, (in), measured as fractura, the distance between gagecomo marks after theentre twolas parts of the demm la probeta al ocurrir la mm (pulg), medida la distancia marcas de mm (in), measured as the distance between gage marks after the two parts of the original specimen length, mm (in). Area specimen have been put back together; and Lo ¼se medición después de que las dos partes de la probeta han vuelto a unir, y L = longitud origio mm (in). Area specimen have been put back together; and Lo ¼ original specimen length, is defined as La reducción del área se define como nalreduction de la probeta, mm (pulg). reduction is defined as Ao � Af (3.5) AR ¼ Ao � Af (3.5) AR ¼ Ao (3.5) Ao donde AR = reducción del área, que se expresa con frecuencia como porcentaje; Af = área de la section at where AR ¼ area reduction, often expressed as a2percent; Af ¼ area of the cross 2 (pulg 2). Exisarea section at wheretransversal AR ¼ areaenreduction, expressed as a percent; sección el punto deoften fractura, mm2 (pulg ), y Ao = A área mmcross 2original, 2 of the f¼ mm (in ). There are problems the point of fracture, mm22 (in22); and Ao ¼ original area, 2 (in ); andde Aductilidad area,almm (in2). There que are ocurre problems point ofcon fracture, mmmediciones tenthe problemas estas dos debido estrangulamiento en o ¼ original with both of these ductility measures because of necking that occurs in metallic test bothmetálicas of thesey ductility measures that occurs in metallic test laswith probetas el efecto no uniformebecause asociadoof connecking la elongación y la reducción del área. A pesar de esas dificultades, la elongación y la reducción porcentual del área son las medidas de

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3.1 Relaciones esfuerzo-deformación  53

Chapter 3/Properties of Engineering Materials

TABLE3.3  3.3 Ductilidad Ductility as %%elongation (typical values) for various selected materials. TABLA como de elongación (valores frecuentes) para varios materiales seleccionados Material

Material

Metals

Elongation

Material

Elongación Material

Metales Aluminum, annealed Aluminio recocidocold worked Aluminum, Aluminio, trabajado en frío Aluminum alloys, annealeda Aleaciones de aluminio, recocidasa Aluminum alloys, heat-treateda Aleaciones de aluminio, tratadas Aluminum alloys, casta térmicamentea a Cast iron, gray Aleaciones de aluminio, fundidasa Copper, annealed a Hierro colado, gris Copper, cold worked Cobre, recocido Copper alloy: Cobre, trabajado en brass, frío annealed a Magnesium Aleación de cobre:alloys latón, recocido a Nickel,de annealed Aleaciones magnesio Níquel, recocido

Metals, continued continuación 40%Metales, Steel, low Ca a bajo Chigh 40% 8%Acero, Steel, Ca Acero, alto Ca 8% a 20% Steel, alloy 20% Acero, aleacióna 8% Steel, stainless, austenitica Acero, inoxidable, austeníticoa 4% Titanium, nearly pure 8% Titanio, casi puro 0.6% Zinc alloy 4% Aleación de zinc 45% Ceramics 0.6% Cerámicos Polymers 45% 10%Polímeros Thermoplastic polymers 10% 60%Polímeros termoplásticos Thermosetting 60% 10%Polímeros termofijos polymers Elastomers (e.g., rubber) 10% 45%Elastómeros (por ejemplo, hule)

Elongation

Elongación

30%

30% 10% 10% 20% 20% 55% 55% 20% 20% 10% 10% b 00b

100% 100% 1% 1% c c 1%1%

45%

Compiled from [8], [11], [12], [17], and other sources. a Compilado partir de lastypical. referencias [11], [12], [17], otras of fuentes. Valuesa given are For[8], alloys, there is ay de range ductility that depends on composition and a Los valores dados son comunes. Para las aleaciones hay un rango de ductilidad que depende de la composición y el treatment (e.g., heat treatment, degree of work hardening). b tratamiento (por ejemplo, are tratamiento y grado deelastic endurecimiento porvirtually trabajo). no plastic strain. Ceramic materials brittle;térmico they withstand strain but b Los c materiales cerámicos son frágiles; muestran deformación elástica, pero virtualmente ninguna plástica. Elastomers endure significant elastic strain, but their plastic strain is very limited, only around 1% being c Los elastómeros soportan bastante deformación elástica, pero su deformación plástica es muy limitada (lo común es typical. de sólo 1%, aproximadamente).

specimens and the associated nonuniform effect on elongation and area reduction. Despite these difficulties, percent elongation and percent area reduction are the most la commonly ductilidad que se emplean conofmayor frecuencia en la práctica de la ingeniería. Algunos valoused measures ductility in engineering practice. Some typical values of respercent frecuentes del porcentaje de elongación para distintos materiales (sobre todo metales) se elongation for various materials (mostly metals) are listed in Table 3.3. listan en la tabla 3.3. True Stress–Strain real  Thoughtful readers may bequizás troubled bytenido the useproblemas of the original Esfuerzo-deformación Los lectores acuciosos hayan por el area uso of the test specimen to calculate engineering stress, rather than the actual (instantaneous) del área original de la probeta para calcular los esfuerzos ingenieriles en lugar del área real (insarea that becomes increasingly smaller as thelatest proceeds. actual area were used, tantánea), que es cada vez más pequeña conforme prueba avanza.IfSithe se utilizara el área real, los the calculated stress value would be higher. The stress value obtained by dividing the esfuerzos calculados serían mayores. El valor del esfuerzo que se obtiene al dividir la carga apliinstantaneous value of area into the applied load is defined as the true stress: cada entre el valor instantáneo del área se define como esfuerzo real:

s¼

F (3.6) (3.6) A

2 2); F = fuerza, N (lb), y A = área real (instantánea) que donde σ= real, MPa MPa (lb/in (lb/pulg where s ¼esfuerzo true stress, ); F ¼ force, N (lb); and A ¼ actual (instantaneous) area 2 2 2 2 resiste la carga, resisting the mm load,(pulg mm ).(in ). De manera similar, deformación proporciona evaluaciónofmás de la elonSimilarly, true la strain providesreal a more realisticuna assessment therealista ‘‘instantaneous’’ gación “instantánea” por unidad delThe material. la deformación una elongation per unit length ofde thelongitud material. valueElofvalor true de strain in a tensile real testen can be prueba de tensión se estimathe portotal medioelongation de dividir la elongación total en incrementos pequeños, el estimated by dividing into small increments, calculating the engicálculo de la deformación para incremento sobre la base de su longitud inicial,up y neering strain for eachingenieril increment oncada the basis of its starting length, and then adding después con lavalues. suma de la deformación. En elaslímite, la deformación real se define the strain Inlos thevalores limit, de true strain is defined como ZL dL L (3.7) e¼ ¼ ln (3.7) L Lo

Lo

donde L = longitud instantánea en cualquier momento durante la elongación. Al final de la pruewhere L ¼ instantaneous length at any moment during elongation. At the end of the test ba (u otra deformación), el valor final de la deformación se calcula con el uso de L = Lf. (or other deformation), the final strain value can be calculated using L ¼ Lf. Cuando se grafican los datos del esfuerzo-deformación ingenieril de la figura 3.3, con el When the engineering stress–strain data in Figure 3.3 are plotted using the true empleo de los valores del esfuerzo y la deformación reales, la curva que resulta tiene la apariencia stress and strain values, the resulting curve appears as in Figure 3.4. In the elastic region, de la que se muestra en la figura 3.4. En la región elástica, la gráfica es virtualmente la misma the plot is virtually the same as before. Strain values are small, and true strain is nearly de antes. Los valores de la deformación son pequeños y la deformación real es casi igual a la de ingeniería para la mayor parte de los metales de interés. Los valores de esfuerzo respectivos tam-

C03 C03

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Page Page 55 55

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54  CAPÍTULO 3  Propiedades de los materiales de ingeniería

stress–strain plot in Fundamentals of Fundamentals of Figure 3.3. (Credit: Modern Manufacturing, Modern Manufacturing, Fundamentals of th th Edition by Mikell 44 Edition by Mikell Modern Manufacturing, P. 2010. P. Groover, 2010. 4thGroover, Edition by Mikell Reprinted with Reprinted with P. Groover, 2010. permission of permissionwith ofJohn John Reprinted Wiley & Sons, Wiley & Sons, Inc.) permission of Inc.) John Wiley & Sons, Inc.)

Curva proyectada si no hubiera ocurrido estrangulamiento Esfuerzo real, σ

FIGURA 3.4  Curva esfuerzo-deformación reales para la gráfica anterior de esfuerzo-deformación ingenieril que se muestra en la figura 3.3. (Crédito: FundaFIGURE True mentals of3.4 Modern ManuFIGURE 3.4 True stress–strain curve for facturing, 4a. ed., de Mikell stress–strain for FIGURE 3.4 curve True P.the Groover, 2010. Reimpreprevious engineering the previous engineering stress–strain curve for so conprevious autorización stress–strain plot stress–strain plotdein inJohn the engineering Wiley & Sons, Inc.) Figure 3.3. (Credit: Figure 3.3. (Credit:

Section Section3.1/Stress–Strain 3.1/Stress–Strain Relationships Relationships Section 3.1/Stress–Strain Relationships

55 55 55

Comienzo del estrangulamiento Punto de cedencia, comienzo de la región plástica Región elástica: σ = Eϵ

Deformación real, ϵ

bién estánto cerca el uno del otro. La razón de estas casi igualdades es que el área de values la sección equal engineering strain for metals of The stress are equal tomuy engineering strain for most most metals of interest. interest. The respective respective stress values are transversal de la probeta no se reduce significativamente en la región elástica. Así, puede utilizaralso very close to each other. The reason for these near equalities is that the crossalso very close to each other. The reason for these near equalities is that the crossequal to engineering strain for most metals of interest. The respective stress values are sesectional la leyvery de Hooke para relacionar el The esfuerzo real con these la deformación σelastic =isEthat ϵregion. .region. area of the test isisnot reduced in the sectional area of theeach testspecimen specimen notsignificantly significantly reduced inreal: theelastic Thus, also close to other. reason for near equalities the Thus, crossLa diferencia entre la curva esfuerzo-deformación reales y su contraparte ingenieril se enHooke’s law can be used to relate true stress to true strain: s ¼ Ee. Hooke’s law can be used to relate true stress to true strain: s ¼ Ee. sectional area of the test specimen is not significantly reduced in the elastic region. Thus, cuentra en la región plástica. Los valores del esfuerzo son mayores en la región plástica porque The difference between the true stress–strain curve and its engineering counterpart The difference between the true stress–strain curve and its engineering counterpart Hooke’s law can be used to relate true stress to true strain: s ¼ Ee. enoccurs el cálculo ahora se emplea elThe área instantánea la higher sección transversal deregion la probeta, que the se in plastic region. stress are the plastic because occurs in the the plastic region. The stress valuesde are higher in theits plastic region because the The difference between the true values stress–strain curvein and engineering counterpart redujo continuamente durante la elongación. Como en la curva anterior, al final ocurre una caída instantaneous cross-sectional area of the specimen, which has been continuously reduced instantaneous cross-sectional area of the specimen, whichinhas continuously reduced occurs in the plastic region. The stress values are higher thebeen plastic region because the como resultado del estrangulamiento. En la figura se utiliza una línea punteada paraaa downturn indicar la during elongation, isis now in As the previous curve, during elongation, now used usedarea in the the computation. As in in the previous curve, downturn instantaneous cross-sectional of computation. the specimen, which has been continuously reduced continuación proyectada de la gráfica esfuerzo-deformación reales, si no hubiera habido estranfinally occurs as a result of necking. A dashed line is used in the figure to indicate the finally occurs as a result necking. A dashed lineAs is in used the figure to indicate the during elongation, is nowof used in the computation. thein previous curve, a downturn gulamiento. projected continuation of the true plot necking had not projected continuation ofof the true stress–strain stress–strain plotisififused necking had not occurred. occurred. finally occurs as a result necking. A dashed line in the figure to indicate the Conforme la deformación se en la región plástica, los not valores destrain la deforAs becomes in region, the of and As strain strain becomesofsignificant significant in the the plastic plastic region, the values values of true true strain and projected continuation thehace truesignificativa stress–strain plot if necking had occurred. mación real y de ingeniería divergen. La deformación real se relaciona con la correspondiente de engineering strain diverge. True strain can be related to the corresponding engineering engineering strain diverge. True strain be related to the As strain becomes significant in can the plastic region, thecorresponding values of trueengineering strain and ingeniería por medio de strain by strain by engineering strain diverge. True strain can be related to the corresponding engineering strain by ee ¼ (3.8) ¼ lnð1 lnð1þ þeÞ eÞ(3.8) (3.8) e ¼ lnð1 þ eÞ (3.8) DeSimilarly, manera similar, el esfuerzo real y el ingenieril relacionan conby la expresión true and stress can be the Similarly, true stress stress and engineering engineering stressse can be related related by the expression expression Similarly, true stress and engineering stress can be related by the expression ss ¼ (3.9) ¼ sð1 sð1þ þeÞ eÞ (3.9) (3.9) s ¼ sð1 þ eÞ (3.9) In Figure that stress continuously in plastic until En la 3.43.4, debenote notarse en laincreases región plástica el esfuerzo se incrementa en forma Infigura Figure 3.4, note thatque stress increases continuously in the the plastic region region until necking begins. When this happened in the engineering stress–strain curve, its significontinua hasta que comienza elthat estrangulamiento. esto pasaba curva de esfuerzonecking begins. When this happened in the Cuando engineering stress–strain curve, its signifiIn Figure 3.4, note stress increases continuously in en thelaplastic region until cance lost an erroneous area was to calculate stress. deformación ingenieril, su importancia se perdía paravalue calcular esfuerzo se había utilicance was was lost because because an admittedly admittedly erroneous area value waselused used tocurve, calculate stress. necking begins. When this happened in theporque engineering stress–strain its signifiNow when the true stress also increases, it cannot be dismissed so lightly. What it means isis zado un when valor que sean sabía erróneo. Ahora, cuando el value esfuerzo real también se incremenNow theárea true stress also increases, it cannot be dismissed so lightly. it means cance was de lost because admittedly erroneous area was used to What calculate stress. that the metal is becoming stronger as strain increases. This is the property called strain ta, Now no sethe puede ignorar tan a also lastronger ligera. Eso significa que el metal seso está haciendo más fuerte that metal is becoming as strain increases. This is the property called strain when the true stress increases, it cannot be dismissed lightly. What it means is hardening that metals exhibit to aa greater or degree. conforme la deformación. Esta propiedad se denomina endurecimiento deformahardening thatismost most metalsstronger exhibit to strain greater or lesser lesser degree. that theaumenta metal becoming as increases. This is the propertypor called strain hardening, or hardening as itit isisor often called, isis an ción, queStrain poseen casi todos los metales ento mayor o menor grado. Strain hardening, or work work hardening as often called, an important important factor factor in in hardening that most metals exhibit a greater lesser degree. certain manufacturing processes, particularly metal forming. Consider the behavior of aa El endurecimiento porprocesses, deformación, o endurecimiento por trabajo, como se behavior le denomina certain manufacturing particularly forming. Consider the ofin Strain hardening, or work hardening as metal it is often called, is an important factor metal as it is affected by this property. If the portion of the true stress–strain curve concertain frecuencia, un factorprocesses, importante en ciertos procesos de manufactura, enthe particular en el a metal asmanufacturing it isesaffected by this property. If the portion of the true stress–strain curve particularly metal forming. Consider behavior of representing plastic region were aametal log–log scale, the result be laminado delitmetal. Considere elthis comportamiento deon unportion enoffunción de cómo afectacurve esta representing the plasticby region were plotted plotted on log–log scale, the resultlowould would be aa metal as isthe affected property. If the the true stress–strain linear in 3.5. ititque isis aarepresenta straight line in transforpropiedad. Si la parte deas curva esfuerzo-deformación la result región plástica se a linear relationship, relationship, aslashown shown in Figure Figureplotted 3.5. Because Because straight line in this this transforrepresenting the plastic region were on areal log–log scale, the would be mation of the data, the relationship between true stress and true strain in the plastic graficara escala el resultado sería relación como aprecia enthe la figura mationen ofuna the data,log-log, relationship between true stress trueseline strain plastic linear relationship, asthe shown in Figure 3.5.una Because it lineal, is aand straight in in this transforregion can be as 3.5. Debido con estathe transformación de los datostrue se genera la relación entre region can be expressed expressed as mation ofa que the data, relationship between stressuna andlínea truerecta, strain in the plastic el esfuerzo realbe y laexpressed deformación se expresa como region can as real en la región plástica n ss ¼ (3.10) (3.10) ¼ Ke Ken n (3.10) s ¼ Ke (3.10)

FIGURA 3.5  Curva esfuerzo-deformación real en escala log-log. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

Esfuerzo real, σ (ksi)

3.1 Relaciones esfuerzo-deformación  55

Comienzo del estrangulamiento

100 K a b

10

Pendiente n = 1 0.001

a b

0.01 0.1 a/b 1.0 Deformación real, ϵ

Esta ecuación se llama curva de flujo y proporciona una aproximación buena del comportamiento de los metales en la región plástica, inclusive de su capacidad de endurecerse por deformación. La constante K se llama coeficiente de resistencia, MPa (lb/pulg2), y es igual al valor del esfuerzo real para un valor igual a 1 de la deformación real. El parámetro n se denomina exponente de endurecimiento por deformación, y es la pendiente de la recta que se observa en la figura 3.5. Su valor está directamente relacionado con la tendencia de un metal para endurecerse con el trabajo. En la tabla 3.4 se dan valores comunes de K y n para metales seleccionados. Tipos de relaciones esfuerzo-deformación  La curva de esfuerzo-deformación reales proporciona mucha información sobre el comportamiento elástico-plástico. Como se mencionó, la ley de Hooke (σ = Eϵ) gobierna el comportamiento del metal en la región elástica, y la curva de flujo (σ = Kϵn) lo determina en la región plástica. Son tres las formas básicas de relación esfuerzo-deformación que describen el comportamiento de casi todos los materiales sólidos, las cuales se muestran en la figura 3.6:

a) Perfectamente elástico. El comportamiento de este material queda definido por completo por su rigidez, indicada por el módulo de elasticidad E. En lugar de producir un flujo plástico, se fractura. Los materiales frágiles como los cerámicos, muchos tipos de hierro fundido y polímeros termofijos, poseen curvas de esfuerzo-deformación que pertenecen a esta categoría. Estos materiales no son buenos candidatos para las operaciones de conformado.

TABLA 3.4  Valores característicos del coeficiente de resistencia (K) y del exponente de endurecimiento por deformación (n) para metales seleccionados Coeficiente de resistencia, K

Exponente de endurecimiento por deformación, n Material

Material

MPa

lb/pulg2

Aluminio puro recocido Aleación de aluminio, recocidaa Aleación de aluminio, tratada térmicamente Cobre, puro, recocido Aleación de cobre, latóna

175

25 000

0.20

240

35 000

0.15

400 300 700

60 000 45 000 100 000

0.10 0.50 0.35

Acero, bajo C, recocidoa Acero, alto C, recocidoa Acero, aleación, recocidoa Acero, inoxidable, austenítico, recocido

Coeficiente de resistencia, K

Exponente de endurecimiento por deformación, n

MPa

lb/pulg2

500

75 000

0.25

850

125 000

0.15

700

100 000

0.15

1 200

175 000

0.40

Recopilado a partir de las referencias [10], [11], [12], y de otras fuentes. a Los valores de K y n varían de acuerdo con la composición, el tratamiento térmico y el endurecimiento por trabajo.

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56  CAPÍTULO 3  Propiedades de los materiales de ingeniería

ϵ a)

57

σ

Section 3.1/Stress–Strain Relationships

σ

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σ

C03

ϵ b)

ϵ c)

FIGURA 3.6  Tres categorías para la relación esfuerzo-deformación: a) perfectamente elástico, b) elástico y perfectamente plástico y c) elástico y endurecido por deformación. (Crédito: Fundamentals of MoFIGURE 3.6 Three categories stress–strain (a) perfectly dern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell of P. Groover, 2010. relationship: Reimpreso con autorización deelastic, John Wiley & (b) Inc.) elastic and perfectly plastic, and (c) elastic and strain hardening. (Credit: FundaSons,

mentals of Modern Manufacturing, 4th Edition by Mikell P. Groover, 2010. Reprinted with permission of John Wiley & Sons, Inc.)

b) Elástico y perfectamente plástico. Este material tiene una rigidez definida por E. Una vez (b) Elastic and perfectly plastic. This material has a stiffness defined by E. Once the que se alcanza la resistencia de cedencia, Y, el material se deforma plásticamente con el yield strength Y is reached, the material deforms plastically at the same stress level. mismo nivel de esfuerzo. La curva de flujo está dada por K = Y y n = 0. Los metales se The flow curve is given by K ¼ Y and n ¼ 0. Metals behave in this fashion when comportan de esta manera cuando se calientan a temperaturas suficientemente altas que los they have been heated to sufficiently high temperatures that they recrystallize recristalizan en lugar de endurecerlos por deformación durante su trabajo. El plomo presenrather than strain harden during deformation. Lead exhibits this behavior at ta este comportamiento a temperatura ambiente porque ésta es superior al punto de recristaroom temperature because room temperature is above the recrystallization point lización del plomo. for lead. c) Elástico y endurecimiento por deformación. Este material obedece a la ley de Hooke en la (c)región Elastic and strain hardening. material de obeys Hooke’s lawdeformación in the elasticcontinua region. elástica. Comienza a fluir a This su resistencia cedencia Y. Una It begins to flow at its yield strength Y. Continued deformation requires an everrequiere un esfuerzo siempre creciente, dada por una curva de flujo cuyo coeficiente de reincreasing stress, given by a flow curve whose strength coefficient K is greater than sistencia K es mayor que Y y cuyo exponente de endurecimiento por deformación, n, esY and whose strain-hardening n is se greater thancomo zero.función The flow mayor que cero. La curva de flujoexponent por lo general representa linealcurve en unais generally as a linearLafunction natural logarithmic Most de ductile gráfica hecharepresented en papel logarítmico. mayoríaon de alos metales dúctiles se plot. comportan este metals behave this way modo cuando se trabajan en when frío. cold worked. Los procesos de manufactura que deforman los materiales a través de la aplicación de esfuerzos de tensión incluyen el estirado that de alambres barras (véase la sección 13.4) y eloftrefilado Manufacturing processes deform ymaterials through the application tensile (véase la sección 14.6.1). stresses include wire and bar drawing (Section 13.4) and stretch forming (Section 14.6.1).

3.1.2  Propiedades aPROPERTIES la compresión 3.1.2 COMPRESSION A prueba compression test applies load that a una cylindrical betweenentre two Una de compresión aplicaauna carga quesqueezes comprime muestra specimen cilíndrica colocada platens, illustrated inen Figure 3.7.3.7. As Conforme the specimen is compressed, itsse height dos placas,as como se ilustra la figura se comprime, su altura reduceis yreduced el área its cross-sectional is increased. Engineering stress is defined deand su sección transversal searea incrementa. El esfuerzo ingenieril se define como as

s¼

F (3.11) (3.11) Ao

donde Ao A =o área originalarea de laofprobeta. Ésta es This la misma del esfuerzo ingenieril que se ¼ original the specimen. is thedefinición same definition of engineering stress where utilizó prueba de tensión. deformaciónstrain ingenieril se define useden in lathe tensile test. TheLaengineering is defined ascomo

e¼

h � ho (3.12) (3.12) ho

donde h= altura de la en un momento particular de la prueba, y ho and = altura where h¼ height ofprobeta the specimen at a particular moment into themm test,(pulg), mm (in); ho ¼ inicial, mmheight, (pulg).mm Debido que durante compresión la altura disminuye, el valor the de evalue será starting (in).aBecause the la height is decreased during compression, negativo. El signo negativo por lo general se ignora cuando se expresan los valores de la deforof e will be negative. The negative sign is usually ignored when expressing values of mación por compresión. compression strain.

3.1 Relaciones esfuerzo-deformación  57

Ao

A

F

F

F

Cabezal móvil Placa superior Probeta Placa inferior

v

ho

h F

F

Mesa

2)

1)

a)

F

b)

Si en una prueba de compresión se grafica el esfuerzo ingenieril contra la deformación ingenieril, el resultado se asemeja a la figura 3.8. Como antes, la curva se divide en las regiones elástica y plástica, pero la forma de la parte plástica es diferente de aquella correspondiente a la prueba de tensión. Debido a que la compresión ocasiona que la sección transversal se incremente (en vez de disminuir, como en la prueba de tensión), la carga se incrementa con mayor rapidez que antes. Esto da como resultado un valor más alto del esfuerzo ingenieril calculado. En la prueba de compresión ocurre algo más que contribuye al aumento del esfuerzo. Conforme la probeta cilíndrica se comprime, la fricción en sus superficies que están en contacto con las placas tiende a impedir que los extremos del cilindro se expandan. Durante la prueba se consume energía adicional debido a esta fricción, lo que da como resultado una fuerza aplicada más grande. También se muestra un incremento en el esfuerzo ingenieril calculado. Así, debido al aumento del área de la sección transversal y a la fricción entre el espécimen y las placas, se obtiene la curva esfuerzo-deformación ingenieril característica de una prueba de este tipo, según se aprecia en la figura. Otra consecuencia de la fricción entre las superficies es que el material cercano de la parte media del espécimen sí puede incrementar su área mucho más que los extremos. Esto resulta en que la probeta adopte una forma característica de barril, como se ilustra en la figura 3.9.

Esfuerzo, σ

FIGURA 3.7  Prueba de compresión: a) fuerza de compresión que se aplica al ejemplar de prueba en 1), y 2) que provoca un cambio en la altura; y b) disposición de la prueba, exagerando el tamaño de la probeta. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

FIGURA 3.8  Curva esfuerzo-deformación ingenieril común para una prueba de compresión. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

Punto de cedencia, comienzo de la región plástica Región elástica: σ = Ee

Deformación, e

58  CAPÍTULO 3  Propiedades de los materiales de ingeniería

F F

FIGURA 3.9  Efecto de barril en una prueba de compresión: 1) comienzo de la prueba y 2) después de que ha tenido lugar una compresión considerable. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

F

F

1)

2)

Aunque hay diferencias entre las curvas de esfuerzo-deformación ingenieril correspondientes a la tensión y a la compresión, cuando se grafican los datos respectivos como esfuerzo-deformación reales, las relaciones son casi idénticas (para casi todos los materiales). Debido a que en la bibliografía abundan más los resultados de la prueba de tensión, es posible obtener valores de los parámetros de la curva de flujo (K y n) a partir de datos de esas pruebas y aplicarlos con igual validez a una operación de compresión. Lo que debe hacerse al usar los resultados de la prueba de tensión para una operación de compresión es ignorar el efecto del estrangulamiento, fenómeno que es peculiar para la deformación inducida por esfuerzos de tensión. En la compresión no hay un colapso correspondiente del trabajo. En las gráficas anteriores de curvas de tensión de esfuerzo-deformación, los datos se extrapolaron más allá del punto de estrangulamiento por medio de líneas punteadas. Éstas representan mejor el comportamiento del material durante la compresión que los datos de prueba reales de la tensión. Las operaciones de compresión en la forja de metal son mucho más comunes que las de estiramiento. Los procesos importantes de compresión en la industria incluyen el laminado, el forjado y la extrusión (véase el capítulo 13).

3.1.3  Doblado y prueba de materiales frágiles Las operaciones de doblado se emplean para formar placas y hojas metálicas. Como se ve en la figura 3.10, el proceso de doblar una sección transversal rectangular somete al material a esfuerzos de tensión (y deformación) en la mitad externa de la sección que se dobla, y a esfuerzos de compresión (y deformaciones) en la mitad interior. Si el material no se fractura, queda doblado en forma permanente (plásticamente), como se muestra en el inciso 3) de la figura 3.10.

F

F

Esfuerzos y deformaciones de compresión

t b L 1)

Esfuerzos y deformaciones de tensión 2)

3)

FIGURA 3.10  El doblado de una sección transversal rectangular produce en el material esfuerzos tanto de tensión como de compresión: 1) carga inicial; 2) espécimen con mucho esfuerzo y deformación, y 3) pieza doblada. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

60

Chapter 3/Properties of Engineering Materials

60

Chapter 3/Properties of Engineering Materials

3.1 Relaciones esfuerzo-deformación  59

the inner half. If the material does not fracture, it becomes permanently (plastically) bent as shown in (3) of Figure 3.10. the inner half. If the material does not fracture, it becomes permanently (plastically) bent Hard, brittle materials (e.g., ceramics), which possess elasticity but little or no materiales y frágiles asLos shown in (3) duros of Figure 3.10.(por ejemplo, cerámicos), que tienen elasticidad pero poca o plasticity, are often by asemethod subjects a bending ninguna plasticidad, contested frecuencia pruebanthat con un métodothe quespecimen sujeta a latomuestra a unaload. carHard, brittle materials (e.g., ceramics), which possess elasticity but little or no materials not respond well to traditional because of problems in gaThese flexionante. Estosdomateriales no responden bien a las tensile pruebastesting de tensión tradicionales debido plasticity, are often tested by a method that subjects the specimen to a bending load. preparing thepara testpreparar specimens and possible misalignment of themal press jaws that hold the a los problemas las probetas y la posibilidad de alinear las partes de la prensa These materials do not respond well to traditional tensile testing because of problems in specimen. bendingdetest (also (también known asconocida the flexure test) is used test the strength of que los sujeta.The La prueba doblado como prueba de to flexión) se utiliza para preparing the test specimens and possible misalignment of the press jaws that hold the theselamaterials, setup illustrated in del (1)arreglo of Figure procedure, probar resistencia using de estosa materiales, con el uso que se3.10. ilustraInenthis el diagrama 1) dea specimen. The bending test (also known as the flexure test) is used to test the strength of of En rectangular cross section is positioned between two supports, a load is la specimen figura 3.10. ese procedimiento se coloca una probeta de sección transversaland rectangular these materials, using a setup illustrated in (1) of Figure 3.10. In this procedure, a applied at its center. this se configuration, theEn test is configuración, called a three-point bending test. entre dos apoyos, y en su In centro aplica una carga. esta la prueba se denomispecimen of rectangular cross section is positioned between two supports, and a load is brittledematerials do not to the exaggerated shown Figure 3.10; instead naThese de doblado tres puntos. Losflex materiales frágiles no seextent flexionan en elingrado exagerado que applied at its center. In this configuration, the test is called a three-point bending test. deform until immediately fracture. Failurehasta usually occurs because sethey muestra en laelastically figura 3.10; en vez de ello, se before deforman elásticamente el momento inmeThese brittle materials do not flex to the exaggerated extent shown in Figure 3.10; instead the anterior ultimatea tensile strength of ocurre the outer of the specimen has la been exceeded. diato la fractura. La falla por fibers lo general porque se excede resistencia finalThe de they deform elastically until immediately before fracture. Failure usually occurs because strength value derived fromdethis test is called thede transverse rupture strength, tensión de las fibras exteriores la probeta. El valor resistencia obtenido de esta calculated prueba se the ultimate tensile strength of the outer fibers of the specimen has been exceeded. The denomina from theresistencia formula a la ruptura transversal, y se calcula con la fórmula siguiente strength value derived from this test is called the transverse rupture strength, calculated from the formula 1:5FL (3.13) (3.13) TRS ¼ bt2 1:5FL TRS ¼ (3.13) 2 bt(lb/pulg donde TRS = resistencia a la ruptura F= aplicada la where TRS ¼ transverse rupturetransversal, strength, MPa MPa (lb/in22);); F ¼ carga applied load al at ocurrir fracture,

fractura, = longitud los apoyos de la probeta, mmmm (pulg), y band y t son las dimensioN (lb);NL(lb); ¼L length of theentre specimen between supports, (in); b and t are the where TRS ¼ transverse rupture strength, MPa (lb/in2); F ¼ applied load at fracture, nes de la sección transversal de la probeta, como se muestra en la figura, mm (pulg). dimensions of the cross section of the specimen as shown in the figure, mm (in). N (lb); L ¼ length of the specimen between supports, mm (in); and b and t are the dimensions of the cross section of the specimen as shown in the figure, mm (in).

3.1.4 SHEAR PROPERTIES 3.1.4  Propiedades al cortante Shear involves application of stresses in opposite directions on either side of a thin 3.1.4 SHEAR PROPERTIES Un cortante comprende la aplicación de esfuerzos en direcciones opuestas sobre ambos lados de

element to deflect it as shown in Figure 3.11. The shear stress is defined as involves of stresses inseopposite directions on either side of a thin unShear elemento delgadoapplication a fin de deformarlo como muestra en la figura 3.11. El esfuerzo cortante se element identificato como deflect it as shown in Figure 3.11. F The shear stress is defined as t¼ (3.14) A F (3.14) t¼ (3.14) A force, N (lb); and A ¼ area over which where t ¼ shear stress, MPa (lb/in2); F ¼ applied

the force is applied, mm2 (in2). Shear 2 2 strain can be defined as where ¼ shear cortante, stress, MPa ); F); ¼ applied N (lb); and A= ¼área areasobre overlawhich donde τ =t esfuerzo MPa(lb/in (lb/pulg F= fuerzaforce, aplicada, N (lb), yA que 2 ).deformación Shear straincortante can be defined as force is applied, mm22).(inLa se the aplica la fuerza, mm2 (pulg se define como d g¼ (3.15) bd (3.15) g¼ (3.15) b deflection of the element, mm (in); and where g ¼ shear strain, mm/mm (in/in); d ¼ the

FIGURE 3.11 Shear (a) stress and (b) strain. FIGURE 3.11 Shear (a) (Credit: Fundamentals of stress and (b) strain. Modern Manufacturing, (Credit: Fundamentals of 4th Edition by Mikell Modern Manufacturing, P.thGroover, 2010. FIGURA 3.11  Cortante 4 Edition by Mikell Reprinted with a)P.esfuerzo y b) deformaGroover, 2010. permission ofFundamenJohn ción. (Crédito: Reprinted with Wiley & Sons, Inc.) tals of Modern Manufactupermission of John ring, 4a. ed., de Mikell P. Wiley & Sons, Inc.) Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

b ¼ the orthogonal distance over which deflection occurs, mm (in). where ¼ shear strain, mm/mm (in/in); d ¼ the deflection of the and donde γ Shear =g deformación cortante, mm/mm (pulg/pulg); δ = deflexión delelement, elemento,mm mm(in); (pulg), stress and strain are commonly tested in a torsion test, in which a thin-walled the orthogonal whichladeflection mm (in). y bb=¼distancia ortogonaldistance sobre la over que ocurre deflexión, occurs, mm (pulg). tubular specimen is subjected to a torque as shown in Figure 3.12. As torque is increased, Shear probar stress and strain are commonly tested in apor torsion in which a thin-walled Es común el esfuerzo y deformación cortantes mediotest, de una prueba de torsión, the tube deflects by twisting, which is a shear strain for this geometry. specimen is subjected to adelgada torquese assujeta shown in Figure 3.12. As torque increased, entubular la que una probeta tubular de pared a un par, como se ilustra en laisfigura 3.12. the tubeeldeflects by twisting, which is a por shear strainque forpara thisesta geometry. Conforme par aumenta, el tubo se flexiona torsión, geometría es una deformación cortante.

Área de la sección transversal, A

δ

F

F

b F

F a)

b)

08/16/2011 08/16/2011

16:3:57 16:3:57

Page 61 Page 61

60  CAPÍTULO 3  Propiedades de los materiales de ingeniería

Section 3.1/Stress–Strain Relationships Section 3.1/Stress–Strain Relationships L

FIGURE 3.12

61 61

A t

Torsion

FIGURE 3.12 Torsionde FIGURA 3.12  Arreglo test setup. (Credit: test setup. (Credit:(Crédila prueba de torsión. Fundamentals of Fundamentals to: Fundamentalsof of MoModern Manufacturing, dern 4a. Modern Manufacturing, th Manufacturing, 4th Edition by Mikell ed., de MikellbyP.Mikell Groover, 4 Edition P. Groover, 2010. 2010. Reimpreso con autoP. Groover, 2010. Reprinted with rización de John Reprinted withWiley & permission John Sons, Inc.) of permission of John

α

R T

T

R t Sección A-A

A

Wiley & Sons, Inc.) Wiley & Sons, Inc.)

The shearelstress cancortante be determined in the by the equation En la prueba, esfuerzo se determina contest la ecuación The shear stress can be determined in the test by the equation

T t¼ T2 t ¼ 2pR2 t 2pR t

(3.16) (3.16) (3.16)

donde T =¼ par aplicado, N-mm (lb-pulg); R = radio del tubothe medido respecto del eje neutro de where where T T ¼ applied applied torque, torque, N-mm N-mm (lb-in); (lb-in); R R¼ ¼ radius radius of of the tube tube measured measured to to the the neutral neutral laaxis pared, mm (pulg), y t =(in); espesor detla¼pared, mm (pulg). La deformación cortante se determina of the wall, mm and wall thickness, mm (in). The shear strain axis of the wall, mm (in); and t ¼ wall thickness, mm (in). The shear strain can can be be con la medición de la cantidad deamount deflexión angular del tubo, la of quethe setube, convierte a distancia determined by measuring the of angular deflection converting determined by measuring the amount of angular deflection of the tube, converting this this flexionada y se divide entre laand longitud de medición, L. Al reducirL.esto a una expresión sencilla into into aa distance distance deflected, deflected, and dividing dividing by by the the gauge gauge length length L. Reducing Reducing this this to to aa simple simple queda expression, expression,

Ra Ra gg ¼ ¼ L L

(3.17) (3.17) (3.17)

donde α =¼ la deflexión angular (radianes). where where a a ¼ the the angular angular deflection deflection (radians). (radians). En la figura 3.13 se stress–strain presenta una curva común de esfuerzo-deformación cortante. En la the reA typical shear A typical shear stress–strain curve curve is is shown shown in in Figure Figure 3.13. 3.13. In In the the elastic elastic region, region, the gión elástica, laisrelación está definida por relationship defined by relationship is defined by

t ¼ Gg t ¼ Gg

(3.18) (3.18) (3.18)

2 where G ¼ the shear modulus, or shear modulus of elasticity, MPa (lb/in2). For most where G ¼ the shear modulus, or shear modulus of elasticity, 2MPa (lb/in ). For most donde G = módulo cortante, o módulo cortante, MPaby(lb/pulg Para where la mayoría de the los materials, the shear modulus can elástico be approximated G ¼ ). 0.4E, E is materials, the shear modulus can be approximated by G ¼ 0.4E, where E is the materiales, el módulo cortante es aproximadamente de G = 0.4E, donde E es el módulo elástico conventional elastic modulus. conventional elastic modulus. convencional.

Fractura

Resistencia a la cortante

FIGURE 3.13 Typical shear stress– FIGURE 3.13 Typical shear stress– strain curve torsionesfuerzotest. FIGURA 3.13  from Curvaa común strain curve from a torsion test. deformación cortante a partirofdeModern una prue(Credit: Fundamentals (Credit: Fundamentals of Modern baManufacturing, de torsión. (Crédito: of 4th Edition by Mikell th Fundamentals Manufacturing, 4 Edition byMikell Mikell Modern Manufacturing, 4a. ed., de P. Groover, 2010. Reprinted with Groover, 2010. Reprinted with P. P. Groover, 2010. autoripermission of Reimpreso John Wileycon & Sons, Inc.) permission John & Sons, Inc.) zación de John of Wiley & Wiley Sons, Inc.)

Esfuerzo cortante, τ

C03 C03

Región plástica

Punto de cedencia Región elástica: τ = Gγ

Deformación cortante γ

C03

08/16/2011

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16:3:58

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3.2 Dureza  61

Chapter 3/Properties of Engineering Materials

En la plástica de la of curva cortante, material strain sujeto hardens a deforInregión the plastic region theesfuerzo-deformación shear stress–strain curve, theelmaterial mación se endurece y ocasiona que el par aplicado aumente hasta que, finalmente, ocurre la to cause the applied torque to continue to increase until fracture finally occurs. fractura. En esta región, la relación es similar a la curva de flujo. Es posible calcular el esfuerzo The relationship in this region is similar to the flow curve. The shear stress at cortante en la fractura, que se usa como la resistencia al corte, S, del material. La resistencia fracture can be calculated and this is used as the shear strength S of the material. al corte se puede estimar a partir de los datos de resistencia a la tensión, por medio de la aproxiShear strength can be estimated from tensile strength data by the approximation: mación: S = 0.7(TS). S ¼ 0.7(TS). Como el área de la sección transversal del espécimen en la prueba de torsión no cambia, Because the cross-sectional area of the test specimen in the torsion test does not como sí lo hace en las pruebas de tensión y compresión, la curva de esfuerzo-deformación ingechange as it does in the tensile and compression tests, the engineering stress–strain nieril para la cortante obtenida a partir de la prueba de torsión es virtualmente la misma que la curve for shear derived from the torsion test is virtually the same as the true stress– curva esfuerzo-deformación real. strain curve. En la industria son comunes los procesos cortantes. La acción cortante se utiliza para cortar Shear processes are common in industry. Shearing action is used to cut sheet metal láminas metálicas en operaciones de troquelado, punzonado y otras (véase la sección 14.1). Al in blanking, punching, and other cutting operations (Section 14.1). In machining, the maquinar, el material se retira por medio del mecanismo de deformación cortante (véase la secmaterial is removed by the mechanism of shear deformation (Section 15.2). ción 15.2).

3.2 HARDNESS 3.2 Dureza hardness of a material is como defined as its resistance to permanent indentation. Good LaThe dureza de un material se define su resistencia a la indentación permanente. Por lo genehardness generally means that the material is resistant to scratching and wear. For ral, una dureza buena significa que el material es resistente a las rayaduras y al uso. Ésta esmany una engineeringimportante applications, most of the tooling used in manufacturing, scratch característica para including muchas aplicaciones de ingeniería, incluyendo la mayoría del heand wear resistance are important As the shall hay see una later in this rramental usado en la manufactura. Comocharacteristics. se verá más adelante en reader esta sección, estrecha section, there is dureza a strong correlación entre la y lacorrelation resistencia.between hardness and strength.

3.2.1 HARDNESS 3.2.1  Pruebas deTESTS dureza testspruebas are commonly for assessing materialdel properties because are EsHardness común utilizar de durezaused para evaluar las propiedades material porque sonthey rápidas quick and convenient. However, a variety of testing methods are appropriate because of y convenientes. Sin embargo, son varios los métodos de prueba apropiados debido a las diferendifferences in materiales hardness among materials. The best-known hardness tests are cias de dureza de distintos.different Las pruebas de dureza más conocidas son las de Brinell y Brinell and Rockwell. Rockwell. Prueba deHardness dureza Brinell  prueba de Hardness dureza Brinell usa mucho durezaand de Brinell Test La The Brinell Test se is widely usedpara for medir testinglametals metales y no metales baja hardness. a media. Recibe nombre en honor del ingeniero sueco who que nonmetals of lowdetodureza medium It is su named after the Swedish engineer la developed creó alrededor de 1 900. En laInprueba, se presiona una esfera de acero endurecido (o carburo it around 1900. the test, a hardened steel (or cemented carbide) ball of cementado) de 10 mm diámetro la superficie de un espécimen, de 500, 10-mm diameter is de pressed intocontra the surface of a specimen using a con loaduna of carga 500, 1500, or 1 500 3 000 kg.load Después, sedivided divide lainto carga el área dearea indentación para Número 3000o kg. The is then theentre indentation to obtain theobtener BrinellelHardness deNumber Dureza Brinell (BHN). En formaform, de ecuación se tiene (BHN). In equation



HB ¼

2F � (3.19) qffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi� (3.19) 2 2 pDb Db � Db � Di

¼ diameter where ¼ Brinell Number (BHN); F ¼ indentation load, donde HBHB = Número deHardness Dureza Brinell (BHN); F = carga de indentación, kg;kg; DbD =b diámetro de of the indentation on mm. the Estas surface, mm. These the mm, ball, ymm; Di ¼dediameter la of esfera, Di =and diámetro la indentación sobre la superficie, dimensiones se 2 2, pero , las but dimensions are indicated Figure 3.14(a). The resulting units oflokg/mm indican en la figura 3.14a). Elin BHN resultante tiene unidades de BHN kg/mmhas por general the units are usually omitted in expressing the number. materials (above unidades se omiten cuando se expresa el número. Para materialesFor másharder duros (por arriba de 500 BHN) se emplea esfera de carburo la de deformación 500 BHN), thelacemented carbide cementado ball is usedporque because theacero steelexperimenta ball experiences elastic elástica que falsea exactitud de la Asimismo, para materiales más duros común deformation thatlacompromises thelectura. accuracy of the reading. Also, higher loads es (1500 and utilizar cargas mayores (1 500 y 3 000 kg). Debido a las diferencias en los resultados según las 3000 kg) are typically used for harder materials. Because of differences in results under distintas cargas, al hacer reportes de las lecturas HB se considera una práctica buena indicar cuál different loads, it is considered good practice to indicate the load used in the test when fuereporting la que se HB usó en la prueba. readings.

Section 3.2/Hardness

62  CAPÍTULO 3  Propiedades de los materiales de ingeniería

FIGURA 3.14  Métodos de prueba de la dureza: a) Brinell, b) Rockwell: 1) carga inicial menor y 2) carga grande, c) Vickers y d) Knoop. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. ReimpreFIGURE 3.14 Hardness so con autorización de John testing methods: (a) Wiley & Sons, Inc.)

Esfera de 10 mm (indentador), de acero o carburo cementado

F Db

F (menor)

F (mayor)

Indentador cónico

Forma de la indentación

120° d

Di Espécimen

Posición inicial Posición final 1) 2) b) Rockwell

Di

Brinell; (b) Rockwell: (1) initial minor load and (2) major load, (c) Vickers, and (d) Knoop. (Credit: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4th Edition by Mikell P. Groover, 2010. Reprinted with permission of John Wiley & Sons, Inc.)

63

a) Brinell F

F Indentador piramidal

Indentador piramidal

136°

D

D Forma de la indentación

Forma de la indentación c) Vickers

d) Knoop

Rockwell Hardness Test

This is another widely used test, named after the metallurgist

Prueba de dureza Rockwell  Ésta1920s. es otraItprueba que se usatomucho; recibe su nombre en honor who developed it in the early is convenient use, and several enhancements

delover metalurgista la creó a principios de la década 1920. Esofconveniente the yearsque have made the test adaptable to de a variety materials. de usar, y varias mejoras In quethe se le hicieron a lo largo de los años la adaptaron a una variedad de materiales. ball, Rockwell Hardness Test, a cone-shaped indenter or small-diameter En la Prueba de Dureza Rockwell se presiona un indentador cónico, o esferausing de diámetro with diameter ¼ 1.6 or 3.2 mm (1/16 or 1/8 in) is pressed into the specimen a minor pequeño, de 1.6 mm o 3.2 mm (1/16 o 1/8 pulg), contra un espécimen, por medio de una kg carga load of 10 kg, thus seating the indenter in the material. Then, a major load of 150 (or pequeña de 10 kg, lo que asienta el indentador en el material. Después se aplica una carga mayor other value) is applied, causing the indenter to penetrate into the specimen a certain dedistance 150 kg (ubeyond otro valor), lo que position. hace que elThis indentador penetre en el espécimen cierta profundidad its initial additional penetration distance d is converted más allá de su posición inicial. La máquina de prueba convierte esta distancia de penetración, into a Rockwell hardness reading by the testing machine. The sequence is depicted d, in enFigure una lectura de dureza Rockwell. la figura 3.14b) segeometry ilustra la secuencia. Las diferencias en 3.14(b). Differences in En load and indenter provide various Rockwell la scales carga yfor geometría delmaterials. indentadorThe proporcionan variasscales escalasare de indicated Rockwell para distintos different most common in Table 3.5.materiales. En la tabla 3.5 se indican las escalas más comunes.

Vickers Test Esta This prueba, test, also developed early 1920s, uses a pyramidPrueba de Hardness dureza Vickers  también creadaina the principios de la década de 1920, shaped of diamond. is based on the principle by utiliza un indenter indentadormade de forma piramidalIthecho de diamante. Se basathat en elimpressions principio demade que las this indenter are geometrically similar load. Accordingly, of various impresiones dejadas por él son similares en regardless cuanto a suof geometría, sin importarloads la carga que se size are the hardness of theen material Vickers emplee. Deapplied, acuerdodepending con esto, seonaplican varias cargas funcióntodebelameasured. dureza del The material por hardness value (HV) is then determined formula medir. Después se determina la Dureza Vickersfrom (HV) the por medio de la fórmula

HV ¼ TABLE 3.5

1:854 F (3.20) (3.20) D2

Common Rockwell hardness scales.

Rockwell Scale

Hardness Symbol Indenter

TABLA 3.5  Escalas de dureza Rockwell comunes

A B Escala Rockwell C A B Source: [8]. C

Fuente: [8].

HRA

Símbolo de HRB la dureza

HRC

HRA HRB HRC

Cone 1.6 mm ball Indentador Cone Cono Esfera de 1.6 mm Cono

Load (kg) Typical Materials Tested 60 Carbides, ceramics Materiales comunes 100 Nonferrous metals Carga (kg) probados 150 Ferrous metals, 60 Carburos, tool steelscerámicos 100 150

Metales no ferrosos Metales ferrosos, acero grado herramienta

C03

08/16/2011

64

16:3:58

Page 64

3.2 Dureza  63

Chapter 3/Properties of Engineering Materials

where F ¼carga applied load, kg, and the diagonal the impression made by the indenter, donde F= aplicada, y DD =¼diagonal de la of impresión hecha por el indentador, mm, mm, as indicated in Figure 3.14(c). The Vickers test can be used for all metals and has one como se indica en la figura 3.14c). La prueba de Vickers se utiliza para todos los metales y tiene ofde the amongentre hardness tests. de dureza. una laswidest escalasscales más amplias las pruebas Prueba de dureza Knoop  La prueba Knoop, creada en 1939, usa un indentador de diamante

Hardnesspero Test The Knoop test,razón developed in 1939,alrededor uses a pyramid-shaped deKnoop forma piramidal, la pirámide tiene una longitud-ancho de 7:1, como se diamond but the hasse a length-to-width ratio son of about 7:1, asque indicated aprecia en laindenter, figura 3.14d), y laspyramid cargas que aplican por lo general más ligeras las de Figure 3.14(d), applied loads are generally lighter than inapropiada the Vickers test. It is la in prueba Vickers. Esand una the prueba de microdureza, lo que significa que es para medir a microhardness test, meaningdethat it is suitable small, thin or especímenes pequeños y delgados materiales duros for que measuring podrían fracturarse si sespecimens aplicara una hardpesada. materials that might fracturefacilita if a heavier load applied.con The shape carga La forma del indentador la lectura dewere la impresión lasindenter cargas más lifacilitates used in this test. The Knoop geras que se reading empleanof enthe estaimpression prueba. Elunder valor the de lalighter durezaloads Knoop (HK) se determina con la hardness value (HK) is determined according to the formula fórmula

HK ¼ 14:2

F (3.21) (3.21) D2

donde F =F carga, kg, kg; y D and = diagonal largalong del indentador, a quemm. la impresión where ¼ load, D ¼ the diagonal ofmm. theDebido indenter, Becauseque the se impression obtiene con made esta prueba es muy debe tenerse care cuidado al be preparar in thispor testloisgeneral generally verypequeña, small, considerable must takenlain superficie porthe medir. preparing surface to be measured.

3.2.2  Dureza de OF distintos materiales 3.2.2 HARDNESS VARIOUS MATERIALS EnThis esta sección comparanthe los hardness valores de values la dureza algunos materiales comunes lasthree tres section se compares ofdesome common materials in de the clases que se emplean en la ingeniería: metales, cerámicos y polímeros. engineering material classes: metals, ceramics, and polymers. Metales  Las pruebas de dureza Brinell y Rockwell se crearon en una época en que los metales

eran los materiales principales la ingeniería. Se ha recabado una cantidad significativa de datos Metals The Brinell anddeRockwell Hardness Tests were developed at a time when con el empleo de dichas pruebas en los metales. La tabla 3.6 lista los valores de la dureza de metals were the principal engineering materials. A significant amount of data has metales seleccionados. been collected using these tests on metals. Table 3.6 lists hardness values for selected Para la mayoría de metales, la dureza tiene una estrecha relación con la resistencia. Debido metals. a que el método de metals, prueba de la durezaispor lo general se basa en la resistencia For most hardness closely related to strength. Becausea la theindentación, method of la testing cual a su vez es una forma de compresión, sería de esperar una correlación buena for hardness is usually based on resistance to indentation, which is aentre formlasof propiedades de dureza y resistencia determinadas con una prueba de compresión. Sin embargo,

TABLE 3.6

Typical hardness of selected metals.

TABLA 3.6  Dureza común de metales seleccionados

Metal

Metal

Aluminum, annealed Aluminio recocido Aluminum, cold worked Aluminio, trabajado en frío b Aluminum alloys, annealed Aleaciones de aluminio, recocidasbb Aluminum alloys, hardened Aleaciones de aluminio, endurecidasb b Aluminum alloys, cast Aleaciones de aluminio, coladasb bb Castgris, iron,como gray,fundición as cast Hierro Copper, annealed Cobre, recocido Copperdealloy: Aleación cobre:brass, latón, annealed recocido Plomo Lead

Brinell Hardness, Dureza HB

Brinell, HB

20 20 35 35 40 40 90 90 80 80 175 175 45 45 100 100 44

Compiled from [11], [12], [17], and other sources. a

Rockwell Dureza Hardness, Rockwell, HRaa

Metal

HR

Metal

52B 52B 44B 44B 10C 10C

b Magnesium alloys, hardened Aleaciones de magnesio, endurecidas Nickel, annealed Níquel, recocido b Steel, low hot rolled b Acero bajo C, C, laminado en caliente b Steel, high C, hot rolled Acero, alto C, laminado en calienteb b Steel, alloy, annealed Acero, aleación, recocidob b Steel, alloy, heat-treated Acero, aleación, con tratamiento b Steel, stainless, austeniticb  térmico Titanium, nearly pure b Acero, inoxidable, austenítico Titanio, Zinc casi puro

60B 60B

Zinc

Brinell Hardness, Dureza HB

Rockwell Dureza Hardness, Rockwell, HRaa

7070 7575 100 100 200 200 175 175 300 150 300 200 150 200 30

35B 35B 40B 40B 60B 60B 95B, 95B, 15C 15C 90B, 90B, 10C 10C 33C 85B 33C 95B 85B

Brinell, HB

HR

95B

30

HR values given in the or C[17], scale asotras indicated Recopilado de are las referencias [11],B[12], y de fuentes.by the letter designation. Missing values indicate that the hardness is too low for a Rockwell Los valoresscales. HR están dados en la escala B o C, como lo indica la letra que los designa. Donde no hay valores significa que la dureza es demasiado baja b HBlasvalues are typical. Hardness values will vary according to composition, heat treatment, and degree of work hardening. para escalasgiven de Rockwell. b Los valores HB dados son comunes. Los valores de dureza variarán de acuerdo con la composición, el tratamiento térmico y el grado de endurecimiento por trabajo.

64  CAPÍTULO 3  Propiedades de los materiales de ingeniería

TABLA 3.7  Dureza de cerámicos seleccionados y otros materiales duros, listados en orden ascendente de dureza

Material Acero endurecido grado herramientasa Carburo cementado (WC-Co)a Alúmina, Al2O3 Carburo de tungsteno, WC Carburo de silicio, SiC

Dureza Vickers, HV

Dureza Knoop, HK

800 2 000 2 200 2 600 2 600

850 1 400 1 500 1 900 1 900

Material

Dureza Vickers, HV

Dureza Knoop, HK

Nitruro de titanio, TiN Carburo de titanio, TiC Nitruro de boro cúbico, BN Diamante, policristalino sintetizado Diamante, natural

3 000 3 200 6 000 7 000 10 000

2 300 2 500 4 000 5 000 8 000

Recopilado de las referencias [15], [17], y de otras fuentes. a El acero endurecido grado herramientas y el carburo cementado son los dos materiales que comúnmente se usan en la prueba de dureza Brinell.

las propiedades de resistencia en una prueba de compresión son casi las mismas que las de una prueba de tensión, con tolerancia para cambios del área de la sección transversal de los especímenes de prueba respectivos; entonces, la correlación con propiedades a la tensión también debe ser buena. La prueba de dureza Brinell (HB) presenta una correlación estrecha con la resistencia definitiva a la tensión TS de los aceros, lo cual conduce a la relación [10], [16]: TS = Kh (H B)(3.22)



donde Kh es una constante de proporcionalidad. Si TS se expresa en MPa, entonces Kh = 3.45; y si TS está en lb/pulg2, entonces Kh = 500. Cerámicos  La prueba de dureza Brinell no es apropiada para los cerámicos debido a que los materiales de prueba con frecuencia son más duros que la bola indentadora. Para probarlos se utilizan las pruebas Vickers y Knoop. En la tabla 3.7 se listan los valores de dureza de varios cerámicos y materiales duros. Para efectos de comparación, la dureza Rockwell C del acero endurecido grado herramientas es 65 HRC. La escala HRC no se extiende lo suficiente hacia arriba como para usarla en los materiales más duros. Polímeros  De los tres tipos de materiales de ingeniería, los polímeros son los que tienen la

dureza más baja. En la tabla 3.8 se listan varios de los polímeros en la escala de dureza Brinell, aunque este método de prueba normalmente no se usa para estos materiales. Sin embargo, permite la comparación con la dureza de los metales.

3.3  Efecto de la temperatura sobre las propiedades mecánicas La temperatura tiene un efecto significativo sobre las propiedades mecánicas de un material. Para el diseñador es importante conocer las propiedades del material a las temperaturas de ope-

TABLA 3.8  Dureza de polímeros seleccionados Polímero Nylon Fenol formaldehído Polietileno, de baja densidad Polietileno, de alta densidad

Dureza Brinell, HB 12 50  2  4

Recopilado de las referencias [5], [8], y de otras fuentes.

Polímero Polipropileno Poliestireno Cloruro de polivinilo

Dureza Brinell, HB 7 20 10

3.3  Efecto de la temperatura sobre las propiedades mecánicas   65

ración del producto cuando está en uso. También es importante saber cómo afecta la temperatura las propiedades mecánicas en la manufactura. A temperaturas elevadas, los materiales resisten menos y aumenta su ductilidad. En la figura 3.15 se presentan las relaciones generales de los metales. Así, la mayoría de los metales pueden trabajarse con menores fuerzas y menos potencia a temperaturas elevadas que cuando están fríos. Dureza en caliente  Una propiedad que es frecuente utilizar para caracterizar la resistencia y la dureza a temperaturas elevadas es la dureza en calentamiento. La dureza en caliente es tan sólo la capacidad que tiene un material para mantener su dureza a temperaturas elevadas; por lo general se presenta ya sea como una lista de valores de dureza a temperaturas distintas, o como una gráfica de la dureza versus la temperatura, como se ilustra en la figura 3.16. Pueden hacerse aleaciones de acero para lograr mejoras significativas de la dureza en caliente, como se aprecia en la figura 3.16. Los cerámicos muestran propiedades superiores a temperaturas elevadas. Es frecuente que estos materiales se seleccionen para aplicaciones a temperaturas altas, como las piezas de una turbina, herramientas de corte y usos refractarios. La superficie exterior de un trasbordador espacial está recubierta con bloques de cerámico para que soporte mejor el calor por la fricción de la reentrada a la atmósfera a altas velocidades. También es deseable que haya buena dureza en caliente en los materiales para las herramientas que se usan en muchas operaciones de manufactura. En la mayoría de los procesos para tra-

FIGURA 3.15  Efecto general de la temperatura sobre la resistencia y ductilidad. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

Resistencia y ductilidad

Resistencia a la tensión Re s a la isten ced cia enc ia

Ductilidad (% de elongación) 0

Temperatura

Cerámico

Dureza

Acero de alta aleación

FIGURA 3.16  Dureza en caliente (dureza común como una función de la temperatura para varios materiales). (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

Acero al bajo C (HT) 0

Acero al alto C (HT) 250 Temperatura, °C

500

Section 3.4/Fluid Properties

66  CAPÍTULO 3 

67

lined with ceramic tiles to withstand the friction heat of high-speed reentry into the atmosphere. Propiedades de los materiales de ingeniería Good hot hardness is also desirable in the tooling materials used in many manufacturing operations. Significant amounts of heat energy are generated in most metalworking the tools must be capable thedeben high ser temperatures bajar metal processes, se generan and cantidades significativas de calor,ofy withstanding las herramientas capaces de soportar las elevadas temperaturas que se producen. involved. Recristalización  A temperatura ambiente, la mayoría de los metales se comporta de acuerdo

Recrystallization Most metals behave at room temperature according to the flow con la curva de flujo en la región plástica. Conforme el metal se deforma, incrementa su resistencurve in the plastic region. As the metal is strained, it increases in strength due to strain cia debido al endurecimiento por deformación (el exponente de deformación por endurecimiento hardening (strain-hardening exponent n > 0). However, if the metal is heated to a n > 0). Sin embargo, si el metal se calienta a temperatura suficientemente elevada y se deforma, sufficiently elevated temperature and then deformed, strain hardening does not occur. el endurecimiento por deformación no tiene lugar. En vez de ello, se forman granos nuevos libres Instead, new grains are formed that are free of strain, and the metal behaves as a perfectly de deformación y el metal se comporta como un material perfectamente plástico, es decir, con un plastic material; that is, with a strain-hardening exponent n ¼ 0. The formation of new exponente de formación por endurecimiento n = 0. La formación de granos nuevos libres de strain-free grains is a process called recrystallization, and the temperature at which it deformación es un proceso denominado recristalización, y la temperatura a la que sucede es de as escala measured on an absolute scale occurs isdeabout one-half thedemelting point Tm), en alrededor la mitad del punto fusión (0.5 Tm(0.5 ), medida absoluta (grados R o K), y (R orelK). Thisde is temperatura called the recrystallization temperature. Recrystallization takes time. recibe nombre de recristalización. La recristalización requiere de tiempo. Por recrystallization temperature a particular is usually specified as the loThe general, para un metal en particular sefor especifica como lametal temperatura a la que se completa la temperature at which complete formation of new grains requires about 1 hour. formación de granos nuevos, y por lo regular tarda aproximadamente una hora. Recrystallization is acaracterística temperature-dependent characteristic metals thatycan be La recristalización es una de los metales que depende de of la temperatura puede exploited in manufacturing. By heating the metal to the recrystallization temperature aprovecharse en la manufactura. Al calentar el metal a la temperatura de recristalización antes deformation, the amount of straining the metal endure is substantially debefore la deformación, la cantidad de deformación quethat el metal puede can soportar es sustancialmente increased, and the forces and power required to carry out the process are significantly mayor, y las fuerzas y la potencia requeridas para llevar a cabo el proceso se reducen mucho. El reduced. Forming metals at temperatures above the recrystallization temperature conformado de metales a temperaturas por arriba de la de recristalización se denomina trabajois hot(véase working (Section 12.3). encalled caliente la sección 12.3).

3.4

FLUID PROPERTIES

3.4  Propiedades de los fluidos

C03

08/16/2011

16:3:58

Fluids behave quite differently than solids. A fluid flows; it takes the shape of the Los fluidos se comportan muy diferente los sólidos.a Un fluido fluye, decir,is container that holds it.deAmanera solid does not flow;que it possesses geometric formesthat adopta la forma del envase que lo contiene. Un sólido no fluye; tiene una forma geométrica que es independent of its surroundings. Fluids include liquids and gases; the interest in this independiente del medio. Los fluidos incluyen a los líquidos y gases; en esta sección, el interés section is on the former. Many manufacturing processes are accomplished on materials esthat parahave los primeros. Muchos procesos de manufactura se ejecutan en materiales been converted from solid to liquid state by heating. Metals que are han castpasado in the Page 68 del estado sólido al líquido a través de calentamiento. Los metales son líquidos en el estado de molten state; glass is formed in a heated and highly fluid state; and polymers are almost fusión; el vidrio se forma en un estado caliente y muy fluido; y a los polímeros casi siempre se always shaped as thick fluids. les moldea como fluidos espesos.

Viscosity Aunque Although flow is defining characteristic of fluids, tendency to flow avaries Viscosidad  el flujo esauna característica que define a los the fluidos, la tendencia fluir for different fluids. is the that fluidun flow. Roughly, varía de uno a otro. LaViscosity viscosidad es laproperty propiedad quedetermines determina que fluido fluya. Aviscosity grandes canEngineering beladefined as the resistance that isalcharacteristic of a fluid. It de is aunmeasure of viscosidad se define comoto la flow resistencia flujo que es característica fluido. Es 68 Chapter 3/Propertiesrasgos, of Materials themedida internal that arisesque when velocity gradients are present in thedefluid—the una de friction la fricción interna aparece cuando hay presentes gradientes velocidad more en el viscous the fluid is, the higher the internal friction and the greater the resistance to flow. FIGURE 3.17 Fluid flow fluido; entre más viscoso es el fluido, mayor es la fricción interna y mayor la resistencia al flujo. The reciprocal of viscosity fluidity—the with which a fluid flows. El inverso de la viscosidad es laisfluidez, es decir, ease la facilidad con que el fluido fluye. between two parallel Viscosity is defined more precisely with respect to the setup in Figure 3.17, in which Con más precisión, la viscosidad se define respecto a un arreglo como el que se ilustra en la plates, one stationary two parallel plates are separated by a distance d. One of the plates is stationary, while the figura 3.17, en el que dos placas paralelas están separadas por una distancia d. Una de ellas está and the other moving at other is moving a velocity v, and the space theentre plates is occupied by apor fluid. fija, mientras que laatotra se mueve a velocidad v, ybetween el espacio ellas está ocupado un velocity v. (Credit: Orienting these estos parameters relative to an axis d is in directiond and fluido. Al orientar parámetros en relación consystem, un sistema dethe ejesy-axis coordenados, está venis Fundamentals of the x-axis motiondelofeje thex.upper plate is resisted by superior force F that results dirección del direction. eje y y v enThe dirección Al movimiento de la placa se opone la Modern Manufacturing, lain fromFthe viscous fluid. This forcedel canfluido. be reduced to a shear stress by fuerza queshear resulta de la action acción of de the viscosidad cortante Esta fuerza se reduce a un 4th Edition by Mikell P. dividing F by the A: la superficie de la placa A: cortante si seplate dividearea F entre Groover, 2010. Reprinted esfuerzo with permission of John Wiley & Sons, Inc.)



t¼

F A

(3.23) (3.23)

2 2 2 2). Este where t¼ shear stress, N/m or Pa ). This shear stresscortante is related the ratecon of la shear, donde τ= esfuerzo cortante, N/m o Pa(lb/in (lb/pulg esfuerzo se to relaciona tasa which is defined as como the change in velocity dv relative to dy.aThat cortante, que se define el cambio de la velocidad dv respecto dy. Esis,decir,



g_ ¼

dv dy

(3.24) (3.24)

where g_ ¼ shear rate, 1/s; dv ¼ incremental change in velocity, m/s (in/sec); and dy ¼ incremental change in distance y, m (in). The shear viscosity is the fluid property that defines the relationship between F/A and dv/dy; that is, F

dv

68 68 68

Chapter Chapter 3/Properties 3/Properties of of Engineering Engineering Materials Materials Chapter 3/Properties of Engineering Materials FIGURE FIGURE 3.17 3.17 Fluid Fluid flow flow between two FIGURE Fluid flow between3.17 two parallel parallel plates, stationary between two parallel plates, one one stationary and other moving plates, stationary and the theone other moving at at velocity v. and the other moving at velocity v. (Credit: (Credit: Fundamentals of velocity v. (Credit: Fundamentals of fluido FIGURA 3.17  El Modern Manufacturing, Fundamentals of Modern Manufacturing, fluye th entre dos placas para4 by Modern 4th Edition Edition by Mikell Mikell P.y lelas, una Manufacturing, permanece fijaP. th Groover, 2010. 4Groover, Edition by Mikell P. 2010. Reprinted Placa la otra se mueve a Reprinted una velowith of Groover, 2010. FundaReprinted with permission permission of John John móvil cidad v. (Crédito: y Wiley & Inc.) with of John Wileypermission &ofSons, Sons, Inc.) mentals Modern ManuWiley & Sons, Inc.) Fluido facturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

3.4  Propiedades de los fluidos   67

v

Vectores de d velocidad 2 2 flujo where This shear where tt ¼ ¼ shear shear stress, stress, N/m N/m2or or Pa Pa (lb/in (lb/in2). ). del This shear stress stress is is related related to to the the rate rate of of shear, shear, 2 dv 2 where t ¼ shear stress, N/m or Pa (lb/in ). This shear stress is related to the rate of shear, which is defined as the change in velocity dv relative to dy. That is, which is defined as the change in velocity dv relative to dy. That is, Placa x which is defined as the change in velocity dv relative to dy. That is, fija dy

dv dv gg__ ¼ (3.24) ¼ dv (3.24) dy g_ ¼ dy (3.24) dy . g__ ¼ shear rate, where dv ¼ incremental change m/s (in/sec); and dy ¼ where g¼ shear rate, 1/s; 1/s; dv dv = ¼ cambio incremental changedein inlavelocity, velocity, m/s (in/sec); and dy= ¼ donde γ= tasa cortante, incremental velocidad, m/s (pulg/s), y dy where g_ ¼ shear rate, 1/s; dv ¼y,y, incremental change velocity, m/s (in/sec); and dy ¼ incremental change distance (in). The shear viscosity is fluid property that incremental change indistancia distance y, m (in). La The shear in viscosity isesthe the fluid property that cambio incremental de lain mm (pulg). viscosidad cortante la propiedad del fluido incremental changeentre in distance y,F/A mes(in). shear is the fluid property that defines relationship between and dv/dy; that is, defines the relationship between F/A and The dv/dy; thatviscosity is, que definethe la relación F/A y dv/dy; decir, defines the relationship between F/A and dv/dy; that is, FF dv dv or (3.25) ¼ ¼ hh dv  o  or tt ¼ ¼ hhgg__ (3.25) (3.25) F A A ¼ h dy dy or t ¼ hg_ (3.25) A dy donde η hh=¼ constanteof proporcionalidad llamada coeficiente of de viscosidad,Pa-s Pa-s(lb-sec/ (lb-s/ where aa constant called the where ¼una constant ofdeproportionality proportionality called the coefficient coefficient of viscosity, viscosity, Pa-s (lb-sec/ 2 pulg ). Rearranging Si ecuación el called coeficiente de viscosidad puede expresarse como where hse¼reacomoda a constant proportionality coefficient ofexpressed viscosity, Pa-s (lb-sec/ Eq. (3.25), the coefficient of viscosity can as in ). Rearranging Eq.laof (3.25), the(3.25), coefficient of the viscosity can be be expressed as follows: follows: in22). sigue: in2). Rearranging Eq. (3.25), the coefficient of viscosity can be expressed as follows: tt hh ¼ (3.26) ¼t (3.26) g_ h ¼ g_ (3.26) (3.26) g_ Thus, Thus, the the viscosity viscosity of of aa fluid fluid can can be be defined defined as as the the ratio ratio of of shear shear stress stress to to shear shear rate rate Thus, the viscosity of a fluid can be defined as the ratio of shear stress to shear rate during flow, where shear stress is the frictional force exerted by the fluid per unit area, during flow, where shear stress is the frictional force exerted by the fluid per unit area, Así, la viscosidad de un fluido se define como la razón del esfuerzo cortante a la tasa cortanduring flow, where shear stressgradient is cortante the frictional force por exerted by the fluid per unit area, shear is the velocity perpendicular to flow direction. The viscous and shear rate isdonde the velocity gradient perpendicular to the the flow direction. The viscous teand durante el rate flujo, el esfuerzo es la fuerza fricción que el fluido ejerce por and shear rate is the velocity gradient perpendicular to the flow direction. The viscous characteristics of fluids defined by Eq. (3.26) were first stated by Newton. He observed characteristics of fluids defined by Eq. (3.26) were first stated by Newton. He observed unidad de área, y la tasa cortante es el gradiente de velocidad perpendicular a la dirección de characteristics of fluids defined by Eq. (3.26) were first stated Newton. He observed that viscosity aa constant property aa given fluid, and such aa fluid is referred to thatNewton viscosity was constant property of given fluid, and suchby fluid isfluidos referred to as as aa flujo. fuewas quien enunció primero lasof características de viscosidad de los definidas that viscosity was a constant property of a given fluid, and such a fluid is referred to as Newtonian fluid. Some typical values of coefficient of viscosity for various fluids are given Newtonian fluid. Some typical values of coefficient of viscosity for various fluids are given por la ecuación (3.26). Él observó que la viscosidad era una propiedad constante de un fluidoa Newtonian typical values of coefficient of viscosity for various fluids are given in 3.9. One can observe in of listed that viscosity varies with in Table Table 3.9.fluid. One cantipo observe in several several of the the materials materials listed that viscosity varies with dado, y un fluido de Some ese se denomina fluido newtoniano. En la tabla 3.9 se dan algunos vain Table 3.9. One can observe in several of the materials listed that viscosity varies with temperature. temperature. lores comunes del coeficiente de viscosidad para distintos fluidos. Se observa que la viscosidad detemperature. varios materiales mencionados varía con la temperatura. Viscosity for Viscosidad en losfluids. procesos de manufactura  Para muchos metales, la viscosidad en el estado Viscosity values values for selected selected fluids. Viscosity values for selected fluids. fundido se compara a la del agua a temperatura ambiente. Ciertos procesos de manufactura, en Coefficient of Coefficient of Viscosity Coefficient of Viscosity Viscosity Coefficient Viscosity especial la fundición y soldadura autógena, se llevan a cabo sobre metales en estadooffundido, y el Coefficient of Viscosity Coefficient of Viscosity 22 22 Material Pa-s lb-sec/in Material Pa-s lb-sec/in Material Pa-s lb-sec/in Material Pa-s lb-sec/in 2 2 Material Pa-s lb-sec/in Material Pa-s lb-sec/in bb 12 88 �4 �� �� 12 Glass 10 10 Pancake 50 73 Glass ,, 540 540 C C (1000 (1000 F) F) 10 10 Pancake syrup syrup (room (room temp) temp) 50 73 � � 10 10�4 bb 5 aa 12 8 �4 �� �� �� �� 5 Glass 10 14 Polymer ,, 151 F) 115 167 540 (1000 10 Pancake (room 50 73 � Glass ,, 815 815 C C (1500 (1500 F) F) 10 14 Polymer syrup 151 C C (300 (300 temp) F) 115 167 � 10 10�4 TABLA de bb3.9  �Valores aa �4 53 de diferentes fluidos �� ��la viscosidad3 �� �� � Glass (2000 F) 10 0.14 Polymer 55 80 815 14 151 (300 115 167 Glass ,, 1095 1095CC C(1500 (2000F) F) 10 0.14 Polymer ,, 205 205 C C (400 (400 F) F) 55 80 � � 10 10�4 bb �4 aa �4 3 �� �� �� �� �4 Glass , 1370 C (2500 F) 15 22 � 10 Polymer , 260 C (500 F) 28 41 � 10 10 0.14 55 80 Glass , 1095 1370 C (2000 (2500 F) 15 22 � 10 Polymer , 205 260 C (400 (500 F) 28 41 � 10�4 Coeficiente de viscosidad Coeficiente de viscosidad �6 �6 b �4 a �4 �� �� � � � � �F) � Mercury, 20 0.0016 0.23 Water, C 0.001 0.15 Glass , 1370 (2500 15 22 � Polymer C (500 28 41 � Mercury, 20 C C (70 (70 F) F)F) 0.0016 0.23 � 10 10�6 Water, 20 20, �260 C (70 (70 F) F) 0.001 0.15 � 10 10�6 Material Pa-s lb-s/pulg2 �4 Material � �� Pa-s lb-s/pulg2�6 �6 �� �4 � � � Machine 0.1 0.14 Water, (212 0.0003 0.04 Mercury, 20 (room C (70 temp.) F) 0.0016 0.23 20 F)F) 0.001 0.15 Machine oil oil (room temp.) 0.1 0.14 � � 10 10 Water, 100 100CC C(70 (212 F) 0.0003 0.04 � � 10 10�6 �4 b 12 8 � � −4�6 10 0.1   10 � 10  50 0.0003 Vidrio , 540oil °C (room (1 000 °F) Jarabe 73 ×�1010 Machine temp.) 0.14 Water,para 100hotCcakes (212 (tempeF) 0.04 Compiled from various sources. TABLE TABLE 3.9 3.9 TABLE 3.9

Compiled from various sources. Vidriob, 815 °C (1 500 °F) ratura ambiente) 105   14 polyethylene is have Low-density is used used as as3 the the polymer polymer example example here; here; most most other other polymers have slightly slightly higher higher viscosities. viscosities. Compiled from various sources. b, 1 095polyethylene apolymers 115 Polímero Vidrio   0.14 °C (2 000 °F) , 151 °C (300 °F) b 167 × 10−4 abGlass composition is mostly SiO 10 ; compositions and viscosities vary; values representative. Glass bcomposition is mostly SiO22;ascompositions viscosities vary; given are are have representative. Low-density polyethylene is used the polymerand example here; most values other given polymers slightly higher viscosities. −4 a  55   22 × 10 Vidrio Polímero , 1 370 °C (2 500 °F) 15 , 205 °C (400 °F) 80 × 10−4 b Glass composition is mostly SiO2; compositions and viscosities vary; values given are representative. −6 a −4 aa Low-density

Mercurio 20 °C (70 °F) Aceite para máquinas (temperatura ambiente)

 0.0016  0.1

0.23 × 10 0.14 × 10−4

Polímero , 260 °C (500 °F) Agua, 20 °C (70 °F) Agua, 100 °C (212 °F)

 28   0.001   0.0003

41 × 10 0.15 × 10−6 0.04 × 10−6

Recopilado de varias fuentes. a El polietileno de baja densidad se utiliza aquí como ejemplo de polímero; la mayoría de otros polímeros tienen viscosidades ligeramente mayores. b La composición del vidrio es sobre todo SiO ; las composiciones y viscosidades varían; los valores dados son representativos. 2

68  CAPÍTULO 3  Propiedades de los materiales de ingeniería

éxito de esas operaciones requiere viscosidad baja para que el metal fundido llene la cavidad del molde o suelde la costura antes de solidificarse. En otras operaciones, como el conformado y maquinado de metales, se emplean lubricantes y enfriadores durante el proceso, y, de nuevo, el éxito de esos fluidos depende hasta cierto punto de sus viscosidades. Los cerámicos vidriados muestran una transición gradual de los estados sólidos a los líquidos conforme la temperatura aumenta; no se funden en forma súbita, como sí lo hacen los metales. En la tabla 3.9 se ilustra ese efecto por medio de los valores de la viscosidad del vidrio a temperaturas diferentes. A temperatura ambiente, el vidrio es sólido y frágil, no presenta tendencia a fluir; para todo propósito práctico, su viscosidad es infinita. Conforme se calienta, el vidrio se suaviza en forma gradual, y se hace cada vez menos viscoso (más y más fluido), hasta que al final puede dársele forma por medio del soplado o moldeo, a alrededor de 1 100 °C (2 000 °F). La mayoría de procesos para dar forma a los polímeros se realizan a temperaturas elevadas, cuando el material está en una condición líquida o muy plástica. Los polímeros termoplásticos representan el caso más claro, y constituyen también la mayoría de polímeros comunes. A temperaturas bajas, los polímeros termoplásticos son sólidos; conforme la temperatura aumenta, lo normal es que primero se transformen en un material suave parecido al hule, y después en un fluido espeso. Al continuar elevándose la temperatura, la viscosidad disminuye en forma gradual, como se indica en la tabla 3.9 para el polietileno, el polímero termoplástico de uso más extendido. Sin embargo, con los polímeros la relación se complica por otros factores. Por ejemplo, la viscosidad se ve afectada por la velocidad de flujo. La viscosidad de un polímero termoplástico no es constante. Un polímero fundido no se comporta como un fluido newtoniano. En la figura 3.18 puede verse su relación entre el esfuerzo cortante y la tasa cortante. Un fluido que presente esta viscosidad decreciente con tasa cortante en aumento se llama seudoplástico. Este comportamiento complica el análisis del moldeo del polímero.

3.5  Comportamiento viscoelástico de los polímeros Otra propiedad característica de los polímeros es la viscoelasticidad. La viscoelasticidad es aquella propiedad que tiene un material que determina la deformación que experimenta cuando se le sujeta a combinaciones de esfuerzo y temperatura a lo largo del tiempo. Como el nombre lo sugiere, es una combinación de viscosidad y elasticidad. La viscoelasticidad puede explicarse con referencia a la figura 3.19. Los dos incisos de la figura muestran la respuesta común de dos materiales ante un esfuerzo aplicado por debajo del punto de cedencia durante cierto periodo. En el

Fluido seudoplástico Esfuerzo de cedencia

FIGURA 3.18  Comportamientos viscosos de fluidos newtonianos y seudoplásticos. Al fundirse, los polímeros presentan un comportamiento seudoplástico. A manera de comparación, se muestra el comportamiento de un material sólido plástico. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

Esfuerzo cortante, τ

Plástico sólido

Fluido newtoniano

∙ Tasa cortante, γ

Chapter 3/Properties of Engineering Materials

Esfuerzo

Esfuerzo

3.5  Comportamiento viscoelástico de los polímeros   69

Tiempo

Deformación

Tiempo

Deformación

70

FIGURE 3.19 Comparison of elastic and viscoelastic properties: (a) perfectly elastic response of material to stress applied over time; and (b) response of a viscoelastic Tiemposame conditions. The materialTiempo material under in (b) takes a strain that is a function of a) time and temperature. (Credit: Fundamentals ofb)Modern Manufacturing, 4th Edition by Mikell P. Groover, 2010. Reprinted with permission of John Wiley & Sons, Inc.)

FIGURA 3.19  Comparación de propiedades elásticas y viscoelásticas: a) respuesta de un material perfectamente elástico ante un esfuerzo aplicado a lo largo del tiempo, y b) respuesta de un material viscoelástico en las mismas condiciones. En el inciso b), el material presenta una deformación que es una función del tiempo y la temperatura. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell combinations of stress temperature over & time. P. Groover, 2010. Reimpreso conand autorización de John Wiley Sons, As Inc.)the name suggests, it is a

combination of viscosity and elasticity. Viscoelasticity can be explained with reference to Figure 3.19. The two parts of the figure show the typical response of two materials to an applied stress below the yield point during some time period. The material in (a) exhibits perfect elasticity; the elasticidad stress is removed, material returns to its original By inciso a), el material when presenta perfecta;the cuando el esfuerzo desaparece, el shape. material contrast, the material (b)contraste, shows viscoelastic Themuestra amountun ofcomportamiento strain gradually regresa a su forma original.inEn en el inciso behavior. b), el material increases over time under the appliedse stress. When gradualmente stress is removed, the material viscoelástico. La cantidad de deformación incrementa en el tiempo con el does esnot immediately return its original shape; instead, the decays If the fuerzo aplicado. Al retirar lostoesfuerzos, el material no regresa destrain inmediato a sugradually. forma original; been applied desaparece and then en immediately removed, the material have en stress vez de had ello, la deformación forma gradual. Si el esfuerzo se hubierawould aplicado y returned immediately to itshabría starting shape.inmediatamente However, time entered picture retirado de inmediato, el material regresado a suhas forma inicial. the Sin embarplayedentra a role in affecting of theelmaterial. go,and el tiempo en acción y juegathe un behavior papel al afectar comportamiento del material. A simple model viscoelasticityse can be developed using de theelasticidad definitionen ofun elasticity Un modelo sencillo deofviscoelasticidad presenta con el empleo punto as a starting Elasticity concisely by Hooke’s law, s ¼ simply inicial. La ley depoint. Hooke, σ = Eϵis , expresa de expressed manera concisa la elasticidad, y Ee, sólowhich relaciona el relatescon stress to strain through of proportionality. In a viscoelastic solid,visthe esfuerzo la deformación a travésa constant de una constante de proporcionalidad. En un sólido relationship between and strain is time dependent; it can be expressed coelástico, la relación entrestress el esfuerzo y la deformación depende del tiempo; se expresaas así

sðtÞ ¼ f ðtÞe (3.27) (3.27)

The time f(t)secan be conceptualized a modulus of elasticity depends La función delfunction tiempo f(t) conceptualiza como unas módulo de elasticidad que that depende del on time. It might be written E(t) and referred to aaséste a viscoelastic modulus. The form of tiempo. Podría escribirse como E(t) y hacer referencia como un módulo de viscoelasticithis function be complex, sometimes including strain as a afactor. Without getting dad. Latime forma de estacan función del tiempo es compleja, a veces incluye la deformación como intoAun the sin mathematical for it, we canesnevertheless explore the de effect of the factor. entrar a sus expressions expresiones matemáticas, posible explorar el efecto la depentimedel dependency. common effect canen belaseen in 3.20, Figure 3.20, which the stress– dencia tiempo. Un One efecto común se aprecia figura que muestra el shows comportamiento esfuerzo-deformación un polímero polymer termoplástico a tasas de rates. deformación strain behavior of ade thermoplastic undersujeto different strain At low diferentes. strain rate, Con una tasa baja, el material presentaviscous un flujoflow. viscoso Con una tasa alta,insea comthe material exhibits significant At significativo. high strain rate, it behaves much porta en una forma mucho más frágil. more brittle fashion. La temperatura es un factor de la viscoelasticidad. Conforme la temperatura se incrementa, el comportamiento viscoso se vuelve más y más prominente respecto al comportamiento elástico. El material se vuelve algo parecido a un fluido. La figura 3.21 ilustra esta dependencia de la temperatura para un polímero termoplástico. A temperaturas bajas, el polímero muestra comportamiento elástico. Conforme T aumenta por arriba de la temperatura de transición vítrea, Tg, el polímero se vuelve viscoelástico. Si la temperatura se incrementara más, se vuelve suave y como hule. A temperaturas aún mayores, adquiere características viscosas. Las temperaturas a las que

70  CAPÍTULO 3  Propiedades de los materiales de ingeniería

FIGURA 3.20  Curva esfuerzodeformación de un material viscoelástico (polímero termoplástico) a tasas de deformación alta y baja. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

Esfuerzo

Tasa rápida de deformación

Tasa lenta de deformación

Deformación

se observan estos modos de comportamiento varían en función del plástico. Asimismo, las formas del módulo versus la curva de temperatura difieren de acuerdo con las proporciones de estructuras cristalinas y amorfas en el termoplástico. Los polímeros termoestables o termofijos y los elastómeros se comportan en forma distinta de la que ilustra la figura; después de la vulcanización, esos polímeros no se suavizan como lo hacen los termoplásticos a temperaturas elevadas. En vez de ello se degradan (se carbonizan). El comportamiento viscoelástico se manifiesta en la fusión de los polímeros como memoria de su forma. Conforme el polímero espeso se funde, se transforma durante el proceso de una forma a otra; “recuerda” su forma anterior y trata de volver a esa geometría. Por ejemplo, un problema común en la extrusión de polímeros es el aumento de volumen de la matriz, en el que el perfil del material extruido aumenta de tamaño, lo que refleja su tendencia a regresar a la sección transversal más grande que tenía en el dado de salida inmediatamente antes de ser empujado a través de la abertura pequeña del dado de entrada. En el estudio del moldeo del plástico se examinan con más detalle las propiedades de viscosidad y viscoelasticidad (véase el capítulo 8).

3.6  Propiedades volumétricas y de fusión Estas propiedades se relacionan con el volumen de los sólidos y la manera en que las afecta la temperatura. Incluyen densidad, expansión térmica y punto de fusión. Se explican a continuación y en la tabla 3.10 se da una lista de valores típicos para materiales seleccionados en la ingeniería.

FIGURA 3.21  Módulo viscoelástico como función de la temperatura para un polímero termoplástico. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

Módulo viscoelástico

Comportamiento elástico

Comportamiento viscoelástico

Semejante al hule Flujo viscoso Tg

Tm Temperatura

3.6  Propiedades volumétricas y de fusión   71

3.6.1  Densidad y expansión térmica

C03

08/16/2011

16:3:59

Page 73

En la ingeniería, la densidad de un material es su peso por unidad de volumen. Su símbolo es ρ, y las unidades comunes son g/cm3 (lb/pulg3). La densidad de un elemento está determinada por su número atómico y otros factores como el radio atómico y la manera en la que sus átomos se compactan. El término gravedad específica expresa la densidad de un material en relación con la densidad del agua y por tanto es una razón adimensional. La densidad es una consideración importante en la selección de un material para una aplicación específica, pero generalmente no es la única propiedad de interés. La resistencia también es importante, y con frecuencia las dos propiedades se relacionan con una razón resistencia a peso, que es la resistencia a la tensión del material dividida entre su densidad. La razón es útil para Section 3.6/Volumetric and Melting Properties 73 comparar materiales para aplicaciones estructurales en los aviones, automóviles y otros productos en los que el peso y la energía importan. The density a material is afunción function The general relationship La densidad de unofmaterial es una deof la temperature. temperatura. La relación general es que lais that density decreases increasing temperature. way, the volume unit densidad disminuye con elwith aumento de temperatura. DichoPut de another otra forma, el volumen porper unidad expansion nameque given deweight peso seincreases incrementawith con temperature. la temperatura.Thermal Expansión térmica esiselthe nombre se datoa this este effect efecdensity. It is usually expressed as thecomo coefficient of thermal to that que latemperature temperatura has tieneon sobre la densidad. Por lo general se expresa coeficiente de exexpansion, which the change in length degree of temperature, asmm/mm/°C mm/mm/� C pansión térmica, quemeasures mide el cambio de longitud porper grado de temperatura, como is auna length rather than a volume because this aisque easier to measure (in/in/� F). It Es (pulg/pulg/°F). razónratio de longitud en vez de una deratio volumen, debido es más fácil de and yapply. It Es is consistent withla the usual habitual design situation in which dimensional medir aplicar. coherente con situación en el diseño en la que los cambioschanges de diare of greater interest than changes. change in length correspondinga to mensión tienen más interés quevolumetric los volumétricos. El The cambio de longitud correspondiente una givenespecífico temperature change is given cambio de temperatura lo da laby: ecuación:

(3.28) L2 � L1 ¼ aL1 ðT 2 � T 1 Þ (3.28)

where a ¼ coefficient of thermal expansion, � C�1(� F�1); and L1 and L2 are lengths, mm (in), corresponding, respectively, to temperatures T1 and T2, � C (� F). TABLA 3.10  Propiedades volumétricas en unidades tradicionales de Estados Unidosgiven para materiales seleccionados Values of coefficient of thermal expansion in Table 3.10 suggest that it has a en la ingeniería linear relationship with temperature. This is only an approximation. Not only is length Punto de fusión, Tm For affected by temperature, but the thermal expansion coefficient itself is also affected. Densidad, ρ Coeficiente de expansión térmica, α some it increases with temperature;°Ffor materials°C it decreases. 3 3 −1 ×other Material g/cmmaterials lb/pulg °F These C−1 × 10−6 10−6 changes are usually not significant enough to be of much concern, and values like those in Metales the table are quite useful in design calculations for the range of temperatures contem660 13.3 0.098Changes in 24 2.70in service. Aluminio 1 220metal plated the coefficient are more substantial when the 1 083  9.4 17 0.324 8.97 Cobre 1 981 undergoes a phase transformation, such as from solid to liquid, or from one crystal 1 539  6.7 12.1 0.284 7.87 Hierro 2 802 structure 327 16.1 29 0.410 11.35 to another. Plomo 621 In manufacturing operations, use in shrink fit and 14.4 is put to good650 26 thermal expansion 0.063 1.74 Magnesio 1 202 expansion (Section13.3 25.3.2), in which 7.4 a part is heated 1 455 to increase 2 651 its size or 0.322 8.92 fit assemblies Níquel a cooled the partareturns  6.7 other part. When 12 insertion into some 0.284its size to permit 7.87to decrease Acero 0.264 7.31 Estaño 232 to ambient temperature, a tightly23 fitted assembly is12.7 obtained. Thermal expansion 449 can be a  2.2  4.0 20) and welding 0.697 19.30 in heat Tungsteno 3 410 due to6 170 problem treatment (Chapter (Section 23.6) thermal 40 0.258 in the material 7.15 that develop Zinc 420 787 stresses during these22.2 processes.

Cerámicos b b    1.0-5.0    1.8-9.0 0.090 2.5 Vidrio  5.0  9.0 0.137 3.8 Alúmina NA NA b b NA NA 0.096 2.66 Sílice 3.6.2 MELTING CHARACTERISTICS Polímeros c For a1.3pure element, 33 temperature at cwhich the material 60 point Tm is the 0.047 the melting Resinas fenólicas b b transforms solid to liquid100 state. The reverse55transformation, from liquid to solid, 0.042 1.16 from Nylon b b 55 0.079temperature100 2.2at the same Teflón occurs and is called the freezing point. For crystalline elements, b b 45 80 0.043 1.2 Hule natural such as metals, the melting and freezing temperatures are the same. A certain amount of b b 180 0.033the heat of fusion, 0.92 Polietileno (baja densidad) heat energy, called is required100 at this temperature to accomplish the b b 33 60 0.038 1.05 Poliestireno transformation from solid to liquid.

Melting Recopilado de las referencias [8], [11], y de otras fuentes. of a metal element at a specific temperature, as described here, assumes a Las características de fusión del acero dependen de su composición. equilibrium conditions. Exceptions occur in nature; for example, when a molten metal b Se ablandan a temperaturas elevadas y no tienen un punto de fusión bien definido. is cooled, it may remain in the liquid state below its freezing point if nucleation of c Se degradan químicamente a temperaturas elevadas. ND = no disponible; no se pudo obtener el valor de la propiedad para este material. crystals does not initiate immediately. When this happens, the liquid is said to be supercooled. There are other variations in the melting process—differences in the way melting occurs in different materials. For example, unlike pure metals, most metal alloys do not have a single melting point. Instead, melting begins at a certain temperature, called the solidus, and continues as the temperature increases until finally converting completely to

72  CAPÍTULO 3  Propiedades de los materiales de ingeniería

donde α es el coeficiente de expansión térmica, °C–1 (°F–1); y L1 y L2 son longitudes, mm (pulg), que corresponden, respectivamente, a las temperaturas T1 y T2, °C (°F). Los valores del coeficiente de expansión térmica dados en la tabla 3.10 sugieren que éste tiene una relación lineal con la temperatura. Eso es únicamente una aproximación. No sólo la longitud es afectada por la temperatura, sino que el coeficiente de expansión térmica en sí también se ve afectado. Para ciertos materiales se incrementa con la temperatura; para otros, disminuye. En general, esos cambios no son lo bastante significativos para prestarles mucha atención, y valores como los de la tabla son muy útiles en los cálculos del diseño para el rango de temperaturas de servicio. Los cambios en el coeficiente son más sustanciales cuando el metal pasa por una fase de transformación, por ejemplo de sólido a líquido, o de una estructura cristalina a otra. En las operaciones de manufactura, la expansión térmica tiene un buen uso en el ajuste por contracción y en los ensambles de ajuste por expansión (véase la sección 25.3.2), en los que un elemento se calienta para incrementar su tamaño o se enfría para disminuirlo, a fin de permitir su inserción en alguna otra parte. Cuando el elemento regresa a la temperatura ambiente se obtiene un ensamble con ajuste muy estrecho. La expansión térmica puede ser un problema en el tratamiento térmico (véase el capítulo 20) y en las soldaduras por fusión (véase la sección 23.6) debido a los esfuerzos térmicos que se presentan en el material durante esos procesos.

3.6.2  Características de fusión Para un elemento puro, el punto de fusión, Tm, es la temperatura a la que el material pasa del estado sólido al líquido. La transformación inversa, de líquido a sólido, ocurre a la misma temperatura y se denomina punto de enfriamiento. Para elementos cristalinos, como los metales, las temperaturas de fusión y enfriamiento son las mismas. A esa temperatura, con objeto de efectuar la transformación de sólido a líquido se requiere cierta cantidad de energía calorífica, llamada calor de fusión. La fusión de un elemento metálico a una temperatura específica, como se ha descrito aquí, supone condiciones de equilibrio. En la naturaleza hay excepciones; por ejemplo, cuando se enfría un metal fundido, permanece en estado líquido por debajo de su punto de enfriamiento si la formación de núcleos de cristales no se inicia de inmediato. Cuando esto pasa, se dice que el líquido está superfrío. Hay otras variaciones en el proceso de fusión (para materiales distintos hay diferencias en la forma de fusión). Por ejemplo, a diferencia de los metales puros, la mayoría de las aleaciones metálicas no tienen un solo punto de fusión. En vez de ello, la fusión comienza a cierta temperatura, llamada solidus, y continúa conforme la temperatura aumenta hasta que por último se convierten por completo al estado líquido a una temperatura denominada liquidus. Entre las dos temperaturas, la aleación es una mezcla de metales sólidos y fundidos, la cantidad de cada uno de los cuales es inversamente proporcional a sus distancias relativas a cada uno de los puntos. Aunque la mayoría de aleaciones se comportan de esta manera, las excepciones son las aleaciones eutécticas que se funden (y enfrían) a una temperatura única. Otra diferencia en la fusión ocurre en los materiales no cristalinos (vidrios). En ellos hay una transición gradual de los estados sólidos a los líquidos. El material sólido se suaviza en forma gradual conforme la temperatura aumenta, y por último se hace líquido en el punto de fusión. Durante el ablandamiento, el material tiene una consistencia de plasticidad creciente (cada vez más como un fluido) según se acerca al punto de fusión. En la figura 3.22 se ilustran estas diferencias en las características del punto de fusión para los metales puros, aleaciones y vidrio. Las gráficas muestran cambios en la densidad como una función de la temperatura para tres materiales hipotéticos: un metal puro, aleación y vidrio. En la figura está graficado el cambio volumétrico, que es el recíproco de la densidad. Es obvia la importancia que tiene la fusión en la manufactura. En la fundición de metal (véanse los capítulos 5 y 6), el metal se funde y luego se vierte en la cavidad de un molde. Los metales con puntos de fusión bajos por lo general son más fáciles de fundir, pero si la temperatura de fusión es demasiado baja, el metal pierde su aplicabilidad como material de ingeniería. Las características de fusión de los polímeros son importantes en el moldeo de plásticos y otros pro-

3.7 Propiedades térmicas  73

Líquido Liquidus (aleación) Temperatura de transición vítrea (Densidad)–1

Volumen específico

C03

FIGURA 3.22  Cambios de volumen por unidad de peso (1/densidad) como una función de la temperatura para un metal puro hipotético, aleación y vidrio; todos muestran características 08/16/2011 similares 16:3:59de expansión Page 75 térmica y fusión. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

Mezcla de aleación sólida y líquida

Vidrio

Solidus (aleación)

Aleación sólida

Punto deSection fusión (metal puro) Properties 3.7/Thermal

75

Metal puro sólido TABLE 3.11 Values of common thermal properties for selected materials. Values are at room temperature, and these values change for different temperatures. Temperatura

Specific Heat �

Material

Thermal Conductivity

Specific Heat

a

Cal/g C or Btu/lbm � F

�

J/s mm � C

Btu/hr in � F

Material

Thermal Conductivity

a

Cal/g C or Btu/lbm � F

J/s mm � C

Btu/hr in � F

cesos de dar forma a polímeros (véase el capítulo 8). El sinterizado de metales y cerámicos pul-

Metals verizados requiere el conocimiento Ceramics de los puntos de fusión. El sinterizado no funde los materiaAluminum 0.21 9.75 Alumina 0.18 1.4 les, pero0.22 las temperaturas que se usan en el proceso deben acercarse0.029 al punto de fusión a fin de Cast iron 0.11 0.06 2.7 Concrete 0.2 0.012 0.6 lograr la unión requerida de los polvos. Copper 0.092 0.40 18.7 Polymers Iron 0.11 0.072 2.98 Phenolics 0.4 0.00016 0.0077 Lead 0.031 0.033 1.68 Polyethylene 0.5 0.00034 0.016 Magnesium 0.25 0.16 7.58 Teflon 0.25 0.00020 0.0096 3.7  térmicas Nickel Propiedades 0.105 0.070 2.88 Natural 0.48 0.00012 0.006 rubber anterior tiene que ver conOther los efectos de la temperatura sobre las propiedades voluméSteel 0.11 La sección 0.046 2.20 los materiales.0.67 En esta sección se examinan varias térmicas adicionales, las Stainless 0.11 tricas de0.014 Water 1.00propiedades 0.0006 0.029 steelb (liquid) que se relacionan con el almacenamiento y flujo del calor dentro de una sustancia. Las propiedaTin 0.054 des usuales 0.062 3.0el calor específico Ice 0.46 térmica, 0.0023 0.11 valores de interés son y la conductividad algunos de cuyos Zinc 0.091 se encuentran 0.112 en la tabla 5.41 3.11, para materiales seleccionados. Compiled from [8], [16], and other sources. a Specific heat has the same numerical value in Btu/lbm-F or Cal/g-C. 1.0 Calory ¼ 4.186 Joule. b Austenitic (18-8) stainless steel.

3.7.1  Calor específico y conductividad térmica

El calor específico C de un material se define como la cantidad de energía calorífica requerida para incrementar la temperatura de una unidad de masa del material en un grado. En la tabla 3.11 are listed in Table 3.11.A To determine the needed topara heat se values listan algunos valores comunes. fin de determinar la amount cantidad of de energy energía necesaria ca-a certain a metal a furnace to a given alta elevated temperature, thela following lentar ciertoweight peso deofmetal en uninhorno a una temperatura determinada, se emplea ecuación equation can be used: siguiente:

H ¼ CW ðT 2 � T 1 Þ

(3.29) (3.29)

donde H es energía calorífica, J (Btu); es el calor del material, °C C (Btu/ where H la ¼ cantidad amount de of heat energy, J (Btu); C ¼Cspecific heatespecífico of the material, J/kg �J/kg � � � (Btu/lb °F); peso, kgkg (lb), y (T – T ) es el cambio de temperatura, °C (°F). WW¼esitssuweight, (lb); and (T � T ) ¼ change in temperature, C ( F). lb F); 2 12 1 Es frecuente que sea de interés la capacidad calorífico volumétrico de un The volumetric heat storage capacity de of aalmacenamiento material is often of interest. This is simply material. es tan sólo densidad multiplicada el calor específico, ρC. Así, calorenergy espedensityÉsa multiplied bylaspecific heat rC. Thus,por volumetric specific heat is theel heat cífico volumétrico la energía calorífica se volume requiere of para elevar en grado la temperatura required to raiseesthe temperature of aque unit material byun one degree, J/mm3 � C 3 � de volumen del material, J/mm3 °C (Btu/pulg3 °F). de(Btu/in una unidad F). La conducción esisunaproceso fundamental de transferencia Incluye la transferencia Conduction fundamental heat-transfer process.de It calor. involves transfer of thermal deenergy energía within térmica adentro de unfrom material de molécula a molécula por medio de movimientos material molecule to molecule bysólo purely thermal motions; no transfer of mass occurs. The thermal conductivity of a substance is therefore its capability to transfer heat through itself by this physical mechanism. It is measured by the coefficient of thermal conductivity k, which has typical units of J/s mm � C (Btu/in hr � F). The coefficient of thermal conductivity is generally high in metals, low in ceramics and plastics.

Metals Aluminum 0.21 0.22 9.75 Cast iron 0.11 0.06 2.7 Copper 0.092 0.40 18.7 Iron 0.11 0.072 2.98 Lead 0.031 0.033 1.68 Magnesium 3  Propiedades 0.25 7.58 74  CAPÍTULO de los0.16 materiales de ingeniería Nickel 0.105 0.070 2.88

Ceramics Alumina 0.18 0.029 1.4 Concrete 0.2 0.012 0.6 Polymers Phenolics 0.4 0.00016 0.0077 Polyethylene 0.5 0.00034 0.016 Teflon 0.25 0.00020 0.0096 Natural 0.48 0.00012 0.006 rubber Steel 3.11  Valores0.11 0.046 2.20 para materiales Other seleccionados. Los valores son a temperatura TABLA de propiedades térmicas comunes Stainlessy cambian para 0.11 temperaturas 0.014 Water 1.00 0.0006 0.029 ambiente, diferentes 0.67 steelb (liquid) Calor Calor Tin 0.054 0.062 3.0 Ice 0.46 0.0023 0.11 específico Conductividad5.41 térmica específico Conductividad térmica Zinc 0.091 0.112 a

a

Cal/gand °C other o Cal/g °C o Compiled from [8], [16], sources. a Specific heat has theBtu/lbm same numerical Cal/g-C. 1.0 Calory ¼ 4.186 Joule.°F Material °F J/svalue mm in °CBtu/lbm-F Btu/hor pulg °F Material Btu/lbm b Austenitic (18-8) stainless steel. Metales Aluminio Hierro fundido Cobre Hierro Plomo Magnesio Níquel

Acero Acero inoxidableb Estaño Zinc

J/s mm °C

Btu/h pulg °F

Cerámicos 1.4 0.029 0.18 Alúmina  9.75 0.22 0.6 0.012 0.2 Concreto  2.7 0.06 Polímeros 18.7 0.40 0.0077to heat a 0.072are listed  2.98 values in Table 3.11. Fenólicos To determine0.4 the amount 0.00016 of energy needed 0.5 elevated 0.00034 Polietilenoto a given 0.033weight of 1.68 certain a metal in a furnace temperature,0.016 the following 0.0096 0.00020 0.25 Teflón  7.58 0.16 can be used: equation Hule  2.88 0.070 0.006 0.00012 natural H ¼ CW ðT0.48 (3.29) 2 � T 1Þ Otros  2.20 0.046 Agua where H ¼ amount of heat energy, J (Btu); C ¼ specific heat of the material, J/kg � C (Btu/ 0.029 0.0006 1.00 (líquida)  0.67 0.014 � F); W ¼ its weight, and (T2 � T1)0.46 ¼ change in0.0023 temperature,0.11 C (� F). lb �0.062  3.0 kg (lb); Hielo The volumetric  5.41heat storage capacity of a material is often of interest. This is simply 0.112

0.21 0.11 0.092 0.11 0.031 0.25 0.105 0.11 0.11 0.054 0.091

density multiplied by specific heat rC. Thus, volumetric specific heat is the heat energy of material by one degree, J/mm3 � C

Recopilado de las referencias [8], [16],required y de otras fuentes. to raise the temperature of a unit volume a El calor específico tiene el mismo valor numérico en Btu/lbm-F o Cal/g-C. 1.0 caloría = 4.186 Joules. 3 � F). b Acero inoxidable austenítico (18-8). (Btu/in

Conduction is a fundamental heat-transfer process. It involves transfer of thermal energy within a material from molecule to molecule by purely thermal motions; no transfer of mass occurs. The thermal conductivity of a substance is therefore its capability to transfer heat through itself by Por thistanto, physical mechanism. It is de measured by the térmicos; no hay transferencia de masa. la conductividad térmica una sustancia es � C (Btu/in of thermal k, sí which units of físico. J/s mm sucoefficient capacidad para transferirconductivity calor a través de mismahas portypical este mecanismo Se mide con el of thermal is generally in ceramics hr � F). The coeficiente de coefficient conductividad térmica,conductivity k, cuyas unidades comuneshigh son in J/smetals, mm °C low (Btu/pulg h °F). and plastics. el coeficiente de conductividad térmica es elevado en los metales y bajo en los Generalmente, The ratio of thermal conductivity to volumetric specific heat is frequently cerámicos y los plásticos. encountered indeheat-transfer analysis. called the thermal diffusivity K and is En el análisis la transferencia de calorItesisfrecuente encontrar la razón de conductividad determined térmica a calor as específico volumétrico. Se denomina difusión térmica, K, y se determina con

K¼

k rC

(3.30) (3.30)

Esta propiedad paratocalcular las temperaturas de corte eninelmachining maquinado(Section (véase la 15.5.1). sección This propertyseisusa used calculate cutting temperatures 15.5.1).

3.7.2  Propiedades térmicas en la manufactura Las propiedades térmicas desempeñan un papel importante en la manufactura debido a que en muchos de sus procesos es común que se genere calor. En ciertas operaciones, el calor es la energía que lleva a cabo el proceso; en otros, el calor se genera como consecuencia del proceso. El calor específico es de interés por varias razones. En procesos que requieren el calentamiento del material (por ejemplo, fundición, tratamiento térmico y conformado de metales calientes), el calor específico determina la cantidad de energía calorífica necesaria para elevar la temperatura al nivel deseado, de acuerdo con la ecuación (3.29). En muchos procesos que se efectúan a temperatura ambiente, la energía mecánica que ejecuta la operación se convierte en calor, lo que eleva la temperatura del elemento que se trabaja. Esto es común en el maquinado y conformado en frío de los metales. El aumento de temperatura es una función del calor específico del metal. Es frecuente que en el maquinado se utilicen refri-

Preguntas de repaso   75

gerantes para reducir dichas temperaturas, y en este caso es crítica la capacidad calorífica del fluido. Casi siempre se emplea agua como la base de esos fluidos debido a su gran capacidad de absorción de calor. La conductividad térmica funciona para disipar el calor de los procesos de manufactura, unas veces en forma benéfica y otras no. En los procesos mecánicos como el conformado y maquinado de metal, gran parte de la potencia requerida para operar el proceso se convierte en calor. En esos procesos es muy deseable que el material de trabajo y las herramientas tengan la capacidad de conducir el calor. Por otro lado, la conductividad térmica elevada del metal de trabajo no es deseable en los procesos de soldadura por fusión, como la soldadura por arco eléctrico. En estas operaciones, la fuente de calor debe concentrarse en la ubicación de la unión de modo que el metal pueda fundirse. Por ejemplo, en general el cobre es difícil de soldar debido a que su elevada conductividad térmica permite que el calor pase con demasiada rapidez de la fuente de energía al resto del elemento, lo que inhibe su acumulación para fundir la unión.

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Preguntas de repaso   3.1. ¿Cuál es el dilema entre el diseño y la manufactura, en términos de las propiedades mecánicas?   3.2. ¿Cuáles son los tres tipos de esfuerzos estáticos a los que se sujetan los materiales?   3.3. Enuncie la ley de Hooke.   3.4. ¿Cuál es la diferencia entre el esfuerzo ingenieril y el esfuerzo real en una prueba de tensión?   3.5. Defina la resistencia a la tensión de un material.   3.6. Defina la resistencia a la cedencia de un material.

  3.7. ¿Por qué no puede hacerse una conversión directa entre las medidas de la ductilidad de elongación y la reducción del área, con el uso de la suposición de volumen constante?   3.8. ¿Qué es el endurecimiento por trabajo?   3.9. ¿Bajo qué circunstancias el coeficiente de resistencia tiene el mismo valor que la resistencia de cedencia? 3.10. ¿En qué difiere el cambio del área de la sección transversal de un espécimen de una prueba de compresión, de su contraparte en una prueba de tensión?

76  CAPÍTULO 3  Propiedades de los materiales de ingeniería

3.11. La prueba de tensión no es apropiada para materiales duros y frágiles como los cerámicos. ¿Cuál es la prueba que se usa por lo común para determinar las propiedades de resistencia de dichos materiales? 3.12. ¿Cómo se relaciona el módulo de elasticidad cortante, G, con el módulo de elasticidad a tensión, E, en promedio? 3.13. ¿Cómo se relaciona la resistencia al corte, S, con la resistencia a la tensión, TS, en promedio? 3.14. ¿Qué es dureza, y cómo se prueba generalmente? 3.15. ¿Por qué se requieren pruebas y escalas diferentes para la dureza?

3.16. 3.17. 3.18. 3.19. 3.20. 3.21.

Defina la temperatura de recristalización para un metal. Defina la viscosidad de un fluido. ¿Cuál es la característica definitoria de un fluido newtoniano? ¿Qué es viscoelasticidad, como propiedad de un material? Defina la densidad como propiedad de los materiales. ¿Cuál es la diferencia en las características de fusión entre un elemento de metal puro y otro de aleación? 3.22. Defina el calor específico como propiedad de los materiales. 3.23. ¿Qué es la conductividad térmica como propiedad de los materiales? 3.24. Defina la difusividad térmica.

Problemas 3.1. Una prueba de tensión usa una probeta que tiene una longitud nominal de 50 mm y un área de 200 mm2. Durante la prueba, la probeta cede bajo una carga de 98 000 N. La longitud de medición correspondiente es de 50.23 mm. Esto es 0.2% del punto de cedencia. La carga máxima de 168 000 N se alcanza con una longitud de 64.2 mm. Determine a) la resistencia de cedencia, b) el módulo de elasticidad, y c) la resistencia a la tensión. d) Si se presenta fractura a una longitud de 67.3 mm, determine el porcentaje de elongación. e) Si la probeta se estrangula hasta un área = 92 mm2, determine el porcentaje de reducción de área. 3.2. Una probeta en una prueba de tensión tiene una longitud nominal de 2.0 pulg y un área de 0.5 pulg2. Durante la prueba la probeta cede con una carga de 32 000 lb a una longitud de 2.0083 pulg. Esto representa 2% del punto de cedencia. La carga máxima de 60 000 lb se alcanza a una longitud de 2.60 pulg. Determine a) el esfuerzo de cedencia, b) el módulo de elasticidad y c) la resistencia a la tensión. d) Si la fractura ocurre a una longitud de 2.92 pulg, determine el porcentaje de elongación. e) Si la probeta se estrangula hasta un área de 0.25 pulg2, determine el porcentaje de reducción del área. 3.3. En una prueba de tensión sobre una probeta de metal, la deformación real es de 0.08 con un esfuerzo de 265 MPa. Cuando el esfuerzo real es de 325 MPa, la deformación real es de 0.27. Determine el coeficiente de resistencia y el exponente de endurecimiento por deformación en la ecuación de la curva de flujo. 3.4. Durante una prueba de tensión, un metal tiene una deformación real de 0.10 con un esfuerzo real de 37 000 lb/pulg2. Después, con un esfuerzo real de 55 000 lb/pulg2, la deformación real es de 0.25. Determine el coeficiente de resistencia y el exponente de endurecimiento por deformación en la ecuación de la curva de flujo. 3.5. Una prueba de tensión para cierto metal proporciona los siguientes parámetros de la curva de flujo: el exponente de endurecimiento por deformación es de 0.3, y el de resistencia es de 600 MPa. Determine a) el esfuerzo de flujo para una deformación real de 1.0 y b) la deformación real para un esfuerzo de flujo de 600 MPa. 3.6. La curva de flujo para cierto metal tiene los parámetros siguientes: el exponente de endurecimiento por deformación es de 0.22, y el coeficiente de resistencia es de 54 000 lb/ pulg2. Determine: a) el esfuerzo de flujo para una deformación real de 0.45 y b) la deformación real para un esfuerzo de flujo de 40 000 lb/pulg2.

  3.7. Un metal se deforma en una prueba de tensión dentro de la región plástica. La probeta tenía al principio una longitud de 2.0 pulg y un área de 0.50 pulg2. En cierto punto de la prueba de tensión, la longitud es de 2.5 pulg y el esfuerzo ingenieril correspondiente es de 24 000 lb/pulg2; en otro punto de la prueba, anterior al estrangulamiento, la longitud es de 3.2 pulg y el esfuerzo ingenieril correspondiente es de 28 000 lb/ pulg2. Determine el coeficiente de resistencia y el exponente de endurecimiento por deformación para este metal.   3.8. Una probeta para la prueba de tensión se estira al doble de su longitud original. Determine la deformación ingenieril y la deformación real para la prueba. Si el metal se había deformado durante la compresión, determine la longitud final que se comprimió el espécimen, de modo que a) la deformación ingenieril sea igual al mismo valor que en la tensión (será un valor negativo debido a la compresión) y b) la deformación real sea igual al mismo valor que en la tensión (otra vez, será un valor negativo debido a la compresión). Obsérvese que la respuesta al inciso a) es un resultado imposible. Por tanto, la deformación real es una mejor medición durante la deformación plástica.   3.9. Demuestre que la deformación real es igual a ln(1 + e), donde e = deformación ingenieril. 3.10. Un alambre de cobre de 0.80 mm de diámetro falla para un esfuerzo ingenieril de 248.2 MPa. Su ductilidad se mide como 75% de reducción del área. Determine el esfuerzo real y la deformación real en la falla. 3.11. Una probeta de acero de una prueba de tensión, con longitud inicial de 2.0 pulg y área de sección transversal de 0.5 pulg2, alcanza una carga máxima de 37 000 lb. Su elongación en este punto es de 24%. Determine el esfuerzo real y la deformación real para esta carga máxima. 3.12. Una aleación metálica ha sido probada a la tensión, con los resultados siguientes para los parámetros de la curva de flujo: coeficiente de resistencia de 620.5 MPa, y exponente de endurecimiento por deformación de 0.26. Luego, el mismo metal se prueba a la compresión en que la altura inicial del espécimen es de 62.5 mm con diámetro de 25 mm. Suponga que la sección transversal se incrementa de modo uniforme y determine la carga que se requiere para comprimir el espécimen a una altura de a) 50 mm y b) 37.5 mm. 3.13. Los parámetros de la curva de flujo para cierto acero inoxidable son los que siguen: coeficiente de resistencia de 1 100 MPa, y exponente de endurecimiento por deformación de 0.35. Un espécimen cilíndrico con área inicial de sección

Problemas  77

3.14.

3.15.

3.16.

3.17.

3.18.

3.19.

transversal igual a 1 000 mm2 y altura de 75 mm se comprime a una altura de 58 mm. Determine la fuerza requerida para lograr esa compresión, suponiendo que la sección transversal se incrementa de modo uniforme. Se utiliza una prueba de flexión para cierto material duro. Si se sabe que la resistencia a la ruptura transversal del material es de 1 000 MPa, ¿cuál es la carga prevista a la que es probable que falle el espécimen, dado que sus dimensiones son: 15 mm de ancho de la sección transversal, 10 mm de espesor de la sección transversal y 60 mm de longitud? Un espécimen de cerámico especial se prueba a la flexión. Sus dimensiones son las siguientes: ancho de la sección transversal igual a 0.50 pulg y espesor de la sección transversal de 0.25 pulg. La longitud del espécimen entre los apoyos es de 2.0 pulg. Determine la resistencia a la ruptura transversal si la falla ocurre con una carga de 1 700 lb. Una probeta de prueba a la torsión tiene un radio de 25 mm, espesor de pared de 3 mm y longitud de medición de 50 mm. Durante la prueba, un par de 900 N-m da como resultado una deflexión angular de 0.3°. Determine a) el esfuerzo cortante, b) la deformación cortante y c) el módulo cortante, si se supone que la probeta aún no se ha vencido. d) Si la falla de la probeta ocurre para un par de 1 200 N-m y una deflexión angular correspondiente de 10°, ¿cuál es la resistencia al corte del metal? En una prueba de torsión se aplica un par de 5 000 lb-pie que ocasiona una deflexión angular de 1° sobre un espécimen tubular de pared delgada cuyo radio es de 1.5 pulg, el espesor de la pared es de 0.10 pulg y la longitud de medida es de 2.0 pulg. Determine a) el esfuerzo cortante, b) la deformación cortante y c) el módulo cortante, si se supone que el espécimen aún no se ha vencido. Si el espécimen falla con un par de 8 000 lb-pie y una deflexión angular de 23°, calcule la resistencia al corte del metal. En una prueba de dureza Brinell se aplica una carga de 1 500 kg sobre un espécimen, con el empleo de una bola de acero endurecido de 10 mm de diámetro. La indentación resultante tiene un diámetro de 3.2 mm. Determine el número de dureza Brinell para el metal. Si el espécimen es de acero, estime la resistencia a la tensión del acero. Uno de los inspectores del departamento de control de calidad ha usado con frecuencia las pruebas de dureza Brinell y Rockwell, para las que la compañía cuenta con el equipo. Él

afirma que la prueba Rockwell se basa en el mismo principio que en la Brinell, que consiste en que la dureza siempre se mide como la carga que se aplica dividida entre el área de las impresiones que deja un indentor. ¿Está en lo correcto? Si no es así, ¿en qué difiere la prueba Rockwell? 3.20. Se acaba de recibir del proveedor un lote de acero recocido. Se supone que tiene una resistencia a la tensión en el rango de 60 000 a 70 000 lb/pulg2. Una prueba de dureza Brinell en el departamento que lo recibió da un valor de HB = 118. ¿Cumple el acero con la especificación para la resistencia a la tensión? 3.21. Dos placas planas, separadas por un espacio de 4 mm, se mueven una respecto de la otra a una velocidad de 5 m/s. El espacio entre ellas está ocupado por un fluido de viscosidad desconocida. Al movimiento de las placas se opone un esfuerzo cortante de 10 Pa, debido a la viscosidad del fluido. Si se supone que el gradiente de velocidad del fluido es constante, determine el coeficiente de viscosidad del fluido. 3.22. Dos superficies paralelas, separadas por un espacio de 0.5 pulg ocupado por un fluido, se mueven una con respecto de la otra a una velocidad de 25 pulg/s. Un esfuerzo cortante opone una resistencia de 0.3 lb/pulg2 al movimiento, debido a la viscosidad del fluido. Si el gradiente de velocidad en el espacio entre las superficies es constante, determine la viscosidad del fluido. 3.23. El diámetro inicial de una flecha es de 25.00 mm. Se va a insertar en el barreno de un ensamble de ajuste por expansión. Para insertarlo con facilidad debe reducirse el diámetro de la flecha por enfriamiento. Determine la temperatura a que debe reducirse la flecha a partir de la temperatura ambiente (20 °C) a fin de disminuir su diámetro a 24.98 mm. Consulte la tabla 3.10. 3.24. El aluminio tiene una densidad de 2.70 g/cm3 a temperatura ambiente (20 °C). Determine su densidad a 650 °C, usando los datos de la tabla 3.10 como referencia. 3.25. En relación con la tabla 3.10, determine el incremento de la longitud de una barra de acero cuya longitud es de 10.0 pulg, si se calienta de la temperatura ambiente (70 °F) a 500 °F. 3.26. En relación con la tabla 3.11, determine la cantidad de calor requerido para incrementar la temperatura de un bloque de aluminio que mide 10 cm × 10 cm × 10 cm, a temperatura ambiente (21 °C) a 300 °C.

4

Dimensiones, tolerancias y superficies

CONTENIDO DEL CAPÍTULO 4.1

Dimensiones y tolerancias 4.1.1 Dimensiones y tolerancias 4.1.2 Otros atributos geométricos 4.2 Superficies 4.2.1 Características de las superficies 4.2.2 Textura de la superficie 4.2.3 Integridad de la superficie 4.3 Efecto de los procesos de manufactura Apéndice A4 Medición de dimensiones y superficies A4.1 Instrumentos de medición y calibradores convencionales

A4.1.1  Bloques calibradores de precisión A4.1.2 Instrumentos de medición para dimensiones lineales A4.1.3  Instrumentos comparativos A4.1.4  Mediciones angulares A4.2 Mediciones de superficies A4.2.1 Medición de la rugosidad de la superficie A4.2.2 Evaluación de la integridad de la superficie

Además de las propiedades de los materiales de ingeniería, otros factores que determinan el rendimiento de un producto manufacturado incluyen las dimensiones y superficies de sus componentes. Las dimensiones son los tamaños lineales o angulares de un componente, especificadas en el plano de la pieza. Las dimensiones son importantes porque determinan lo bien que se ajustan los componentes de un producto durante su ensamble. Al fabricar un componente dado, es casi imposible y muy costoso dar al elemento la dimensión nominal que se establece en el plano. En vez de ello, se permite una variación limitada de la dimensión, y la que es permisible se denomina tolerancia. Las superficies de un componente también son importantes. Afectan el desempeño del producto, el ajuste del ensamble y la percepción estética que un consumidor potencial podría tener del producto. Una superficie es el límite exterior de un objeto con su ambiente, que puede ser otro objeto, un fluido, el espacio o una combinación de éstos. La superficie encierra el conjunto de propiedades mecánicas y físicas. En este capítulo se estudian las dimensiones, las tolerancias y las superficies: tres atributos especificados por el diseñador del producto y determinados por los procesos de manufactura que se emplean para fabricar las piezas y los productos. En el apéndice A4 se estudia la manera de evaluar estos atributos usando dispositivos de medición y calibración. Un tema estrechamente relacionado es la inspección, que se estudia en el capítulo 30.

4.1  Dimensiones y tolerancias En esta sección se definen los parámetros básicos que usan los ingenieros de diseño para especificar las dimensiones de las características geométricas en el plano de una pieza. Los parámetros incluyen dimensiones y tolerancias, planicidad, redondez y angularidad.

4.2 Superficies  79

2.500+0.005 −0.005

a)

+0.010 2.500−0.000

b)

2.505 2.495

c)

FIGURA 4.1  Tres maneras de especificar los límites de la tolerancia de una dimensión nominal de 2.500: a) bilateral, b) unilateral y c) dimensiones límite. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

4.1.1  Dimensiones y tolerancias La ANSI [3] define dimensión como el “valor numérico expresado en las unidades apropiadas de medida, que se indica en un plano y otros documentos junto con líneas, símbolos y notas para definir el tamaño o característica geométrica, o ambas, de una pieza o característica de una pieza”. Las dimensiones de una pieza en un plano o dibujo representan los tamaños nominales o básicos de la pieza y sus características. Éstos son los valores que el diseñador querría que la pieza tuviera, si pudiera fabricarse con un tamaño exacto, sin errores ni variaciones en el proceso de fabricación. Sin embargo, en el proceso de manufactura hay variaciones que se manifiestan como variaciones en el tamaño de la pieza. Las tolerancias se utilizan para definir los límites de la variación permitida. Al citar otra vez el estándar de ANSI [3], tolerancia es “la cantidad total que está permitido que una dimensión específica varíe. La tolerancia es la diferencia entre los límites máximo y mínimo”. Las tolerancias se especifican de modos diversos, que se ilustran en la figura 4.1. Es probable que la más común sea la tolerancia bilateral, en la que se permite que la variación sea en las direcciones positiva y negativa a partir de la dimensión nominal. Por ejemplo, en la figura 4.1a), la dimensión nominal es de 2.500 unidades lineales (por ejemplo, mm, pulg), con una variación permisible de 0.005 unidades en cualquier dirección. Las piezas que estén fuera de esos límites son inaceptables. Es posible que una tolerancia bilateral esté desbalanceada; por ejemplo, 2.500 +0.010, –0.005 unidades. Una tolerancia unilateral es aquella en la que la variación a partir de la dimensión especificada sólo se permite en una dirección, ya sea positiva, como en la figura 4.1b), o negativa. Las dimensiones límite son un método alternativo de especificar la variación permisible en el tamaño de un elemento de una pieza; consisten en las dimensiones máxima y mínima permisibles, como se aprecia en la figura 4.1c).

4.1.2  Otros atributos geométricos Las dimensiones y tolerancias normalmente se expresan como valores lineales (longitud). Hay otros atributos geométricos de las piezas que también son importantes, como la planicidad de una superficie, la redondez de una flecha o agujero, el paralelismo entre dos superficies, etc. Las definiciones de estos términos se enlistan en la tabla 4.1.

4.2 Superficies Una superficie es aquello que tiene contacto al sujetarse a un objeto tal como ocurre en una pieza manufacturada. El diseñador especifica las dimensiones de la pieza, relacionando las distintas superficies una con la otra. Estas superficies nominales representan el contorno relacionado con la superficie de la pieza, y están definidas por las líneas en el plano de ingeniería. Las superficies nominales aparecen como líneas absolutamente rectas, círculos ideales, agujeros redondos, y

80  CAPÍTULO 4  Dimensiones, tolerancias y superficies

TABLA 4.1  Definiciones de atributos geométricos de las piezas Angularidad: Grado en que un rasgo de una pieza, como una superficie o un eje, se encuentra con un ángulo especificado respecto de una superficie de referencia. Si el ángulo es de 90°, entonces el atributo se llama perpendicularidad o cuadratura. Circularidad: Para una superficie de revolución como un cilindro, agujero o cono, la circularidad es el grado en que todos los puntos sobre la intersección de la superficie y un plano perpendicular al eje de revolución, se encuentran equidistantes al eje. Para una esfera, la circularidad es el grado en que todos los puntos sobre la intersección de la superficie y un plano que pasa por el centro están equidistantes de éste. Concentricidad: Grado en que dos (o más) rasgos de una pieza, como una superficie cilíndrica y un agujero circular, tienen un eje común.

Cilindricidad: Grado en que todos los puntos sobre una superficie de revolución, como un cilindro, están equidistantes del eje de revolución. Planicidad: Grado en que todos los puntos de una superficie se encuentran en un plano único. Paralelismo: Grado en que todos los puntos de un rasgo de una pieza, como una superficie, una línea o un eje, están equidistantes de un plano, línea o eje de referencia. Perpendicularidad: Grado en que todos los puntos de un rasgo de una pieza, como una superficie, una línea o un eje, están a 90° de un plano o línea o eje de referencia. Redondez: Igual que circularidad. Cuadratura: Igual que perpendicularidad. Rectitud: Grado en que un rango de una pieza, como una línea o un eje, es una línea recta.

Fuente: [16].

otras aristas y superficies que son perfectas en su geometría. Las superficies reales de una pieza manufacturada están determinadas por el proceso utilizado para fabricarla. La variedad de procesos disponibles en la manufactura da como resultado variaciones amplias de las características de la superficie, y es importante para los ingenieros entender la tecnología de las superficies. Las superficies tienen importancia tecnológica y comercial por varias razones, diferentes para distintas aplicaciones de los productos: 1) razones estéticas, las superficies que son tersas y sin marcas y manchas es más probable que causen una impresión favorable en el consumidor. 2) Las superficies afectan la seguridad. 3) La fricción y el uso dependen de las características de las superficies. 4) Las superficies afectan las propiedades mecánicas y físicas; por ejemplo, los defectos de las superficies pueden ser puntos de concentración de esfuerzos. 5) El ensamblaje de las piezas se ve afectado por sus superficies; por ejemplo, la resistencia de las juntas unidas con adhesivos (véase la sección 24.3) se incrementa si las superficies tienen poca rugosidad. 6) Las superficies suaves constituyen contactos eléctricos mejores. La tecnología de superficies tiene que ver con 1) la definición de las características de una superficie, 2) la textura de la superficie, 3) la integridad de la superficie y 4) la relación entre los procesos de manufactura y las características de la superficie resultante. Los tres primeros temas se cubren en esta sección; el tema final se presenta en la sección 4.3.

4.2.1  Características de las superficies Una vista microscópica de la superficie de una pieza revela sus irregularidades e imperfecciones. Los rasgos de una superficie común se ilustran en la sección transversal magnificada de la superficie de una pieza metálica, que se presenta en la figura 4.2. Aunque aquí el análisis se concentra en las superficies metálicas, los comentarios vertidos en este texto se aplican a las cerámicas y

Textura de la superficie FIGURA 4.2  Sección transversal magnificada de una superficie metálica común. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

Capa alterada

Sustrato

4.2 Superficies  81

polímeros, con modificaciones debidas a las diferencias en la estructura de estos materiales. El cuerpo de la pieza, conocido como sustrato, tiene una estructura granular que depende del procesamiento previo del metal; por ejemplo, la estructura del sustrato del metal se ve afectada por su composición química, el proceso de fundición que se usó originalmente para el metal, y cualesquiera operaciones de deformación y tratamientos térmicos llevados a cabo sobre el material de fundición. El exterior de la pieza es una superficie cuya topografía es todo menos recta y tersa. En la sección transversal magnificada, la superficie tiene rugosidad, ondulaciones y defectos. Aunque aquí no se observan, también tiene un patrón o dirección que resulta del proceso mecánico que la produjo. Todos estos rasgos geométricos quedan incluidos en el término textura de la superficie. Justo por debajo de la superficie se encuentra una capa de metal cuya estructura difiere de la del sustrato. Se denomina capa alterada, y es una manifestación de las acciones que se mencionaron al hablar de la superficie, durante la creación de ésta y etapas posteriores. Los procesos de manufactura involucran energía, por lo general en cantidades importantes, que opera sobre la pieza, contra su superficie. La capa alterada puede resultar del endurecimiento por trabajo (energía mecánica), calor (energía térmica), tratamiento químico o incluso energía eléctrica. El metal de esta capa resulta afectado por la aplicación de energía, y su microestructura se altera en consecuencia. Esta capa alterada cae dentro del alcance de la integridad de la superficie, que tiene que ver con la definición, la especificación y el control de las capas de la superficie de un material (metales, los más comunes), en la manufactura y el desempeño posterior en el uso. El alcance de la integridad de la superficie por lo general se interpreta para incluir la textura de la superficie, así como la capa alterada ubicada bajo ella. Además, la mayoría de las superficies metálicas están cubiertas por una capa de óxido, si se da el tiempo suficiente para que se forme después del procesamiento. El aluminio forma en su superficie una capa delgada, densa y dura de Al2O3 (que sirve para proteger al sustrato de la corrosión), y el fierro forma óxidos de varias composiciones químicas sobre su superficie (el óxido, que virtualmente no da ninguna protección). También es probable que en la superficie de la pieza haya humedad, mugre, aceite, gases adsorbidos y otros contaminantes.

4.2.2  Textura de la superficie La textura de la superficie consiste en las desviaciones repetitivas o aleatorias de la superficie nominal de un objeto; la definen cuatro características: rugosidad, ondulación, orientación y defectos o fallas, como se observa en la figura 4.3. La rugosidad se refiere a las desviaciones pequeñas, espaciadas finamente, de la superficie nominal y que están determinadas por las características del material y el proceso que formó la superficie. La ondulación se define como las desviaciones de espaciamiento mucho mayor; ocurren debido a la deflexión del trabajo, vibraciones, trataEspaciamiento de la ondulación Dirección de la orientación Grieta (defecto)

FIGURA 4.3  Rasgos de la textura de una superficie. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

Cráter (defecto)

Altura de la ondulación

Altura de la rugosidad Ancho de la rugosidad

C04

08/16/2011

12:54:39

Page 84

82  CAPÍTULO 4  Dimensiones, tolerancias y superficies

84

Chapter 4/Dimensions, Tolerances, and Surfaces

Símbolo de la orientación

Símbolo de la orientación

Patrón de la superficie Descripción

Patrón de la superficie Descripción

La orientación es paralela a las líneas que representan a la superficie a que se aplica el símbolo.

La orientación es circular en relación con el centro de la superficie para la que se utiliza el símbolo.

La orientación es perpendicular a la línea que representa la superficie a que el símbolo se aplica.

La orientación es aproximadamente radial en relación con el centro de la superficie para la que se emplea el símbolo.

La orientación es angular en ambas direcciones a la línea que representa la superficie a que se aplica el símbolo.

La orientación es particular, no direccional o protuberante.

FIGURA 4.4  Orientaciones posibles de una superficie. (Fuente: [1].) (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

FIGURE 4.4 Possible lays of a surface. (Source: [1]). (Credit: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4th Edition by miento térmico y factoresofsimilares. La & rugosidad está sobreimpuesta a la ondulación. La orienMikell P. Groover, 2010. Reprinted with permission John Wiley Sons, Inc.)

tación es la dirección predominante o patrón de la textura de la superficie. Está determinada por el occur métodobecause de manufactura paravibration, crear a la heat superficie, por loand general a partir de laRoughacción of work utilizado deflection, treatment, similar factors. deness una herramienta de corte. la figura Lay 4.4 seis ilustran la mayoría de las orientaciones posibles is superimposed on En waviness. the predominant direction or pattern of the que puede texture. haber en It una superficie, junto conmanufacturing el símbolo que utiliza el used diseñador para especificarsurface is determined by the method to create the surface, las.usually Por último, sona irregularidades que ocurren en formamost ocasional la superficie; fromlos thedefectos action of cutting tool. Figure 4.4 presents of theenpossible lays a incluyen ralladuras, inclusiones otros defectos similares. Aunque algunosthem. de losFinally, defecsurfacegrietas, can take, together with theysymbol used by a designer to specify tosflaws se relacionan con la textura la superficie tambiénon afectan su integridad la sección are irregularities thatdeoccur occasionally the surface; these(véase include cracks, 4.2.3). scratches, inclusions, and similar defects in the surface. Although some of the flaws relate to surfacedetexture, they also affect de surface integrity La (Section 4.2.3). Rugosidad la superficie y acabado la superficie  rugosidad de una superficie es una característica mensurable, con base en las desviaciones de la rugosidad según se definió antes. El Surface and Surfacemás Finish Surface roughness is a measurable characacabado de Roughness la superficie es un término subjetivo que denota la suavidad y calidad general de teristic based on the roughness deviations defined above. Surface finish is a more una superficie. En el habla popular, es frecuente utilizar el acabado superficial o de la superficie subjective term denoting smoothness and general quality of a surface. In popular usage, como sinónimo de su rugosidad. surface finish is often used as comúnmente a synonym for roughness. La medida que se emplea más parasurface la textura de una superficie es su rugosidad. The most commonly used measure of surface texture roughness. With Respecto a la figura 4.5, la rugosidad de la superficie se define comoiselsurface promedio de las desviarespect to Figure 4.5,desurface roughness canenbeuna defined as especificada the averagedeoflathe vertical ciones verticales a partir la superficie nominal, longitud superficie. the un nominal surface over(AA), a specified length.absolutos An arithmetic Pordeviations lo general from se utiliza promedio aritmético con basesurface en los valores de las average (AA) is generally basedseon the absolute valuesde ofrugosidad the deviations, and this desviaciones, y este valor de laused, rugosidad conoce con el nombre promedio. En roughness valueesis referred to by the name average roughness. In equation form, forma de ecuación,

Ra ¼

ZLm 0

jyj dx (4.1) (4.1) Lm

donde Ra = media aritmética de la rugosidad, m (pulg); y es la desviación vertical a partir de la where Ra ¼ arithmetic mean value of roughness, m (in); y ¼ the vertical deviation from superficie nominal (convertida a valor absoluto), m (pulg), y Lm es la distancia especificada en nominal surface (converted to absolute value), m (in); and Lm ¼ the specified distance FIGURE 4.5

Deviations

FIGURA 4.5  Desviaciofrom nominal surface nes de la superficie nominal used in the of que se usan endefinition la definición surface roughness. de rugosidad de una superfi(Credit: Fundamentals cie. (Crédito: Fundamentalsof Modern Manufacturing, of Modern Manufacturing, 4thed., Edition by Mikell P. 4a. de Mikell P. GrooGroover, 2010. Reprinted ver, 2010. Reimpreso con with permission John autorización de JohnofWiley &Wiley Sons,&Inc.) Sons, Inc.)

y

Desviaciones verticales (yi)

Superficie real Superficie nominal

x Lm

C04

08/16/2011

12:54:42

Page 85

4.2 Superficies  83

Section 4.2/Surfaces

63 32

0.002-0.5 0.030

Ancho de la ondulación máxima

Altura de la ondulación máxima

0.010 a)

Ra máxima Ra mínima

85

63 32

0.002-0.5 0.030 0.010

Longitud de corte Símbolo de orientación Espaciamiento máximo de la rugosidad

b) FIGURA 4.6  Símbolos para la textura de la superficie en los planos de ingeniería: a) el símbolo y b)

FIGURE 4.6 Surface texture symbols in engineering drawings: thedados symbol, and (b) symbol with símbolo con leyendas de identificación. Los valores de Ra (a) están en micropulgadas; las unidades para identification labels. Values ofse Radan areengiven in microinches; units for other measures arelos given in inches. otras mediciones pulgadas. Los diseñadores no siempre especifican todos parámetros en los planos de ingeniería. (Crédito: of Modern Manufacturing, 4a.(Credit: ed., de Mikell P. Groover,of Designers do not always specify all of the Fundamentals parameters on engineering drawings. Fundamentals 2010. Reimpreso con autorización de Groover, John Wiley2010. & Sons, Inc.) by Mikell P. Reprinted with permission of John Wiley & Modern Manufacturing, 4th Edition Sons, Inc.)

laover que se miden lassurface desviaciones de la are superficie. QuizáAn seaapproximation más fácil de entender aproximawhich the deviations measured. of Eq. una (4.1), perhaps ción de la ecuación (4.1), dada por easier to comprehend, is given by n X jyi j (4.2) Ra ¼ (4.2) n i¼1

donde Ra tiene el mismo significado que antes; yi son las desviaciones verticales convertidas a where Ra has the same meaning as above; yi ¼ vertical deviations converted to absolute valor absoluto e identificadas por el subíndice i, m (pulg), y n es el número de desviaciones invalue and identified by the subscript i, m (in); and n ¼ the number of deviations included cluidas en Lm. Las unidades en estas ecuaciones son metros y pulgadas. En realidad, la escala de in Lm. The units in these equations are meters and inches. In fact, the scale of the deviations las desviaciones es muy pequeña, por lo que las unidades más apropiadas son μm (μm = m × is–6very small,–3so more appropriate units are mm (mm ¼ m � 10–6 ¼ mm � 10–3) or m-in 10 = mm × 10 ) o μpulg (μpulg = pulg × 10–6). Éstas son las unidades de uso más común para –6 (m-in ¼ inch � 10 ). These are the units commonly used to express surface roughness. expresar la rugosidad de una superficie. Surface roughness suffers the same kinds of deficiencies of any single measure used La rugosidad de la superficie tiene la misma clase de deficiencias que cualquier medida que to assess a complex physical attribute. For example, it fails to account for the lay of the se use para evaluar un atributo físico complejo. Por ejemplo, falla para tomar en cuenta las oriensurface pattern; thus, surface roughness may vary significantly depending on the direction taciones del patrón superficial; así, la rugosidad de la superficie varía en forma significativa, en in which it is measured. función de la dirección en que se mida. Another deficiency is that waviness can be included in the R computation. To deal Otra deficiencia es que la ondulación queda incluida en el cálculoa de Ra. Para evitar este with this problem, a parameter called the cutoff length is used as a filter that separates the problema se emplea un parámetro denominado longitud de corte, que se usa como un filtro que waviness in a measured surface from the roughness deviations. In effect, the cutoff length is separa la ondulación de una superficie medida de las desviaciones de la rugosidad. En realidad, a sampling distance along the surface. A sampling distance shorter than the waviness width la longitud de corte es una distancia muestral a lo largo de la superficie. Una distancia muestral will eliminate the vertical deviations associated with waviness and only include those más corta que el ancho de la ondulación eliminará las desviaciones verticales asociadas con ésta associated with roughness. The most common cutoff length used in practice is 0.8 mm y sólo incluirá aquellas que se relacionan con la rugosidad. En la práctica, la longitud de corte (0.030 in). The measuring length L is normally set at about five times the cutoff length. más común es 0.8 mm (0.030 pulg). La m longitud de medición Lm se establece normalmente como The limitations of surface roughness have motivated the development of additional de cinco veces la longitud de corte. measures that more completely describe the topography of a surface. measures Las limitaciones de la rugosidad de la superficie han motivadogiven la creación de These medidas adicioinclude three-dimensional graphical renderings of the surface, as described in [17]. nales que describan en forma más completa la topografía de una superficie dada. Estas mediciones incluyen salidas gráficas tridimensionales de la superficie, como se describe en la referencia [17]. Symbols for Surface Texture Designers specify surface texture on an engineering Símbolos la textura de la superficie  la textura la superdrawing para by means of symbols as in FigureLos 4.6.diseñadores The symbolespecifican to designate surfacede texture is a ficie en unmark plano(looks de ingeniería, medio de símbolos como los queasse indicated ven en la figura 4.6. El check like a por square root sign), with entries for average símbolo que designa los parámetros la textura de unaroughness superficie es una marca revisión (se roughness, waviness, cutoff, lay,deand maximum spacing. Thedesymbols for parece al símbolo de la raíz lay are from Figure 4.4.cuadrada), con acotaciones para la rugosidad promedio, ondulación, corte, orientaciones y espaciamiento máximo de la rugosidad. Los símbolos para las orientaciones están tomados de la figura 4.4.

4.2.3 SURFACE INTEGRITY texture alone does not completely describe a surface. There may be metallurgical 4.2.3  Integridad deSurface la superficie

or other changes in the material immediately beneath the surface that can have a La textura de la superficie por sí sola no describe por completo una superficie. En el material puede haber cambios metalúrgicos o de otra clase inmediatamente debajo de la superficie, que

84  CAPÍTULO 4  Dimensiones, tolerancias y superficies

pueden tener un efecto significativo sobre las propiedades mecánicas. La integridad de la superficie es el estudio y control de esta capa subsuperficial y cualesquiera cambios debido al procesamiento que influyan en el desempeño de la pieza o producto terminado. Ya antes se hizo referencia a esta capa subsuperficial como la capa alterada cuando su estructura difiere de la del sustrato, como se ilustra en la figura 4.2. Existe una variedad de posibles alteraciones y daños a la capa superficial que pueden ocurrir durante la manufactura. Los cambios superficiales son ocasionados por la aplicación de distintas formas de energía durante el procesamiento: mecánica, térmica, química y eléctrica. La energía mecánica es la más común que se utiliza en la manufactura; se aplica contra el material de trabajo en operaciones como la de dar forma a un metal (por ejemplo, forjado, extrusión), prensado y maquinado. Aunque la función primaria en esos procesos consiste en cambiar la geometría de la pieza que se trabaja, la energía mecánica también ocasiona esfuerzos residuales, endurecimiento por trabajo y grietas en las capas de la superficie.

4.3  Efecto de los procesos de manufactura La capacidad de lograr cierta tolerancia o superficie es una función del proceso de manufactura. En esta sección se describen las capacidades generales de distintos procesos en términos de la tolerancia y la rugosidad de la superficie. Ciertos procesos de manufactura son inherentemente más exactos que otros. La mayoría de procesos de maquinado son muy exactos, capaces de alcanzar tolerancias de ±0.05 mm (±0.002 pulg) o mejores. Por el contrario, las fundiciones con arena por lo general son inexactas y deben especificarse tolerancias de 10 a 20 veces las que se utilizan para piezas maquinadas. En la tabla 4.2 se lista una variedad de procesos de manufactura y se indican las tolerancias comunes para cada proceso. Las tolerancias se basan en la capacidad de los procesos para la operación particular de manufactura, como se define en la sección 30.2. La tolerancia que debe especificarse es función del tamaño de la pieza; entre más grandes sean las piezas, requieren tolerancias más generosas. En la tabla se enlistan los valores comunes de tolerancia para piezas de tamaño moderado en cada categoría de procesamiento. El proceso de manufactura determina el acabado de la superficie y la integridad de ésta. Algunos procesos son más capaces que otros de producir superficies mejores. En general, el costo del procesamiento se incrementa con la mejora del acabado de la superficie. Esto se debe a que para obtener superficies cada vez mejores por lo general se requieren operaciones adicionales y

TABLA 4.2  Límites comunes de tolerancia, con base en la capacidad de varios procesos de manufacturaa (véase la sección 30.2) Proceso Fundición con arena Hierro colado Acero Aluminio Fundición con molde Moldeo de plásticos:  Polietileno  Poliestireno Maquinado: Barrenado, 6 mm (0.25 pulg) Fresado Torneado

Tolerancia común mm (pulg) ±1.3 (±0.050) ±1.5 (±0.060) ±0.5 (±0.020) ±0.12 (±0.005) ±0.3 (±0.010) ±0.15 (±0.006) +0.08/–0.03 (.0.003/–0.001) ±0.08 (±0.003) ±0.05 (±0.002)

Proceso Procesos abrasivos: Esmerilado Rectificado Bruñido Procesos no tradicionales   y térmicos: Maquinado químico Descarga eléctrica Rectificado electroquímico Maquinado electroquímico Corte con haz de electrones Corte con haz de láser Corte con arco de plasma

Tolerancia común mm (pulg) ±0.008 (±0.0003) ±0.005 (±0.0002) ±0.005 (±0.0002) ±0.08 (±0.003) ±0.025 (±0.001) ±0.025 (±0.001) ±0.05 (±0.002) ±0.08 (±0.003) ±0.08 (±0.003) ±1.3 (±0.050)

a Recopilado de [4], [7] y de otras fuentes. Para cada categoría de proceso, las tolerancias varían dependiendo de los parámetros de éste. Asimismo, las tolerancias aumentan con el tamaño de la pieza.

Referencias  85

TABLA 4.3  Valores de rugosidad superficial producidos por distintos procesos de manufacturaa Proceso Fundición: Fundición con molde Fundición con revestimiento Fundición con arena Formado de metales: Laminado en frío Corte de lámina metálica Extrusión en frío Laminado en caliente Maquinado: Perforado Barrenado Fresado Planeado Escariado y perfilado Aserrado Torneado

Rango de Acabado común rugosidadb Bueno

1-2 (30-65)

Bueno Malo

1.5-3 (50-100) 12-25 (500-1 000)

Bueno Bueno Bueno Malo

1-3 (25-125) 1-3 (25-125) 1-4 (30-150) 12-25 (500-1 000)

Bueno Medio Bueno Bueno Medio Malo Bueno

0.5-6 (15-250) 1.5-6 (60-250) 1-6 (30-250) 1-3 (30-125) 1.5-12 (60-500) 3-25 (100-1 000) 0.5-6 (15-250)

Proceso Abrasivos: Esmerilado Rectificado Bruñido Pulido Superacabado No tradicionales: Fresado químico Electroquímico Descarga eléctrica Haz de electrones Haz de láser Térmico: Soldadura por arco Corte con llama Corte con arco de plasma

Rango de Acabado común rugosidadb Muy bueno Muy bueno Excelente Excelente Excelente

0.1-2 (5-75) 0.1-1 (4-30) 0.05-0.5 (2-15) 0.1-0.5 (5-15) 0.02-0.3 (1-10)

Medio Bueno Medio Medio Medio

1.5-5 (50-200) 0.2-2 (10-100) 1.5-15 (50-500) 1.5-15 (50-500) 1.5-15 (50-500)

Malo Malo

5-25 (250-1000) 12-25 (500-1 000)

Malo

12-25 (500-1 000)

a

Recopilado a partir de [1], [2] y de otras fuentes. El rango de los valores de rugosidad está dado en μm (μpulg). La rugosidad puede variar de manera significativa para un proceso dado en función de los parámetros del proceso. b

más tiempo. Los procesos específicos para proveer acabados superiores incluyen el bruñido, el rectificado, el pulido y el superacabado (véase el capítulo 18). En la tabla 4.3 se indica la rugosidad superficial usual que se espera de varios procesos de manufactura.

Referencias   [1] American National Standards Institute, Inc. Surface Texture, ANSI B46.1-1978. American Society of Mechanical Engineers, Nueva York, 1978.   [2] American National Standards Institute, Inc. Surface Integrity, ANSI B211.1-1986. Society of Manufacturing Engineers, Dearborn, Michigan, 1986.   [3] American National Standards Institute, Inc. Dimensioning and Tolerancing, ANSI Y14.5M-2009. American Society of Mechanical Engineers, Nueva York, 2009.   [4] Bakerjian, R. y Mitchell, P. Tool and Manufacturing Engineers Handbook, 4a. ed., vol. VI, Design for Manufacturability. Society of Manufacturing Engineers, Dearborn, Michigan, 1992.   [5] Brown & Sharpe. Handbook of Metrology. North Kingston. Rhode Island, 1992.   [6] Curtis, M. Handbook of Dimensional Measurement, 4a. ed. Industrial Press Inc., Nueva York, 2007.  [7] Drozda, T. J. y Wick, C. Tool and Manufacturing Engineers Handbook, 4a. ed., vol. I, Machining. Society of Manufacturing Engineers, Dearborn, Michigan, 1983.   [8] Farago, F. T. Handbook of Dimensional Measurement, 3a. ed. Industrial Press Inc., Nueva York, 1994.  [9] Machining Data Handbook, 3a. ed., vol. II. Machinability Data Center, Cincinnati, Ohio, 1980, capítulo 18.

[10] Mummery, L. Surface Texture Analysis—The Handbook. HommelwerkeGmbh, Alemania, 1990. [11] Oberg, E., Jones, F. D., Horton, H. L. y Ryffel, H.,   Machinery’s Handbook, 26a. ed. Industrial Press Inc., Nueva York, 2000. [12] Schaffer, G. H. “The Many Faces of Surface Texture.” Special Report 801, American Machinist and Automated Manufacturing, junio de 1988, pp. 61-68. [13] Sheffield Measurement, a Cross & Trecker Company, Surface Texture and Roundness Measurement Handbook, Dayton, Ohio, 1991. [14] Spitler, D., Lantrip, J., Nee, J. y Smith, D. A. Fundamentals of Tool Design, 5a. ed. Society of Manufacturing Engineers, Dearborn, Michigan, 2003. [15] S. Starrett Company, Tools and Rules. Athol, Massachusetts, 1992. [16] Wick, C. y Veilleux, R. F. Tool and Manufacturing Engineers Handbook, 4a. ed., vol. IV, Quality Control and Assembly. Society of Manufacturing Engineers, Dearborn, Michigan, 1987. [17] Zecchino, M. “Why Average Roughness Is Not Enough”, Advanced Materials & Process, marzo de 2003, pp. 25-28.

86  CAPÍTULO 4  Dimensiones, tolerancias y superficies

Preguntas de repaso   4.1. ¿Qué es tolerancia?   4.2. ¿Cuál es la diferencia entre una tolerancia bilateral y una tolerancia unilateral?   4.3. ¿Qué es la exactitud en las mediciones?   4.4. ¿Qué es la precisión en las mediciones?   4.5. ¿Cuáles son algunas de las razones por las que son importantes las superficies?   4.6. Defina superficie nominal.   4.7. Defina la textura de una superficie.   4.8. ¿En qué se diferencia la textura de una superficie de la integridad de ésta?   4.9. En el ámbito de la textura de la superficie, ¿cómo se distingue la rugosidad de la ondulación?

4.10. La rugosidad de una superficie es un aspecto mensurable de su textura; ¿qué significa rugosidad de la superficie? 4.11. Indique algunas de las limitaciones del empleo de la rugosidad de la superficie como medida de la textura de ésta. 4.12. ¿Qué es lo que ocasiona los distintos tipos de cambio que ocurren en una capa alterada, justo debajo de la superficie? 4.13. Mencione algunos procesos de la manufactura que produzcan acabados de la superficie muy deficientes. 4.14. Cite algunos procesos de manufactura que produzcan acabados de la superficie muy buenos o excelentes.

APÉNDICE A4:

Medición de dimensiones y superficies La medición es un procedimiento en el cual se compara una cantidad desconocida con un estándar conocido, usando un sistema de unidades aceptado y consistente. En el mundo han evolucionado dos sistemas de unidades: 1) el sistema de uso común en Estados Unidos (USCS, por sus siglas en inglés) y 2) el Sistema Internacional de Unidades (o SI), que se conoce popularmente como el sistema métrico. El sistema métrico se utiliza ampliamente en casi cualquier parte del mundo industrializado excepto en Estados Unidos, que se ha apegado de manera obstinada a su USCS. Gradualmente, Estados Unidos también está adoptando el SI. La medición proporciona un valor numérico de la cantidad de interés, dentro de ciertos límites de exactitud y precisión. La exactitud es el grado en el que un valor medido coincide con el valor verdadero de la cantidad de interés. Un procedimiento de medición es exacto cuando no tiene errores sistemáticos, los cuales son desviaciones positivas o negativas del valor verdadero que son consistentes de una medición a la siguiente. La precisión es el grado en el que se puede repetir el proceso de medición. Una buena precisión significa que se reducen al mínimo los errores aleatorios en el procedimiento de medición. Por lo general, los errores aleatorios se asocian con la participación humana en el proceso de medición. Entre los ejemplos están las variaciones en la preparación, la lectura imprecisa de la escala, las aproximaciones redondeadas, etc. Entre los componentes no humanos que contribuyen al error aleatorio están los cambios de temperatura, el desgaste gradual y/o el desajuste en los elementos funcionales de los dispositivos y otras variantes.

A4.1 Instrumentos de medición y calibradores convencionales En esta sección del apéndice se consideran los diversos dispositivos de medición que se operan en forma manual y que se usan para evaluar dimensiones como longitud, profundidad y diámetro, así como características como ángulos, rectitud y redondez. Estos tipos de equipo se encuentran en los laboratorios de metrología, los departamentos de inspección y las salas de herramientas. El tema inicial lógico son los bloques calibradores de precisión.

A4.1.1  Bloques calibradores de precisión Los bloques de calibradores de precisión son los estándares contra los que se comparan otros instrumentos de medición y calibradores de dimensión. Por lo general, los bloques de calibración tienen forma cuadrada o rectangular. Las superficies de medición tienen un acabado considerado dimensionalmente exacto y paralelo hasta dentro de varias millonésimas de una pulgada y pulidos con un acabado tipo espejo. Existen diversos grados de bloques de calibración de precisión, con tolerancias más estrechas para grados de precisión más altos. El grado más alto, el estándar maestro de laboratorio, está hecho a una tolerancia de ±0.000,03 mm (±0.000,001 pulg). Dependiendo del grado de dureza y del precio que el usuario esté dispuesto a pagar, los bloques de calibración pueden hacerse de varios materiales duros, entre los que se encuentran el acero para herramienta, el acero chapeado con cromo, el carburo de cromo o el carburo de tungsteno. Existen bloques de calibración de precisión disponibles en ciertos tamaños estándares o en juegos, que contienen diversos bloques de tamaños distintos. Los tamaños en un conjunto se determinan en forma sistemática para que puedan apilarse con el propósito de obtener virtualmente cualquier dimensión deseada dentro de 0.0025 mm (0.0001 pulg).

88  CAPÍTULO 4  Dimensiones, tolerancias y superficies

Para mejores resultados, los bloques de calibración deben usarse sobre una superficie plana de referencia, como una placa superficial. Una placa superficial es un bloque sólido y grande cuya superficie superior tiene un acabado totalmente plano. Casi todas las placas de superficie actuales están hechas de granito. El granito tiene la ventaja de ser duro, no oxidarse, no ser magnético, desgastarse con lentitud, es térmicamente estable y fácil de mantener. Los bloques de calibración y otros instrumentos de alta precisión deben usarse en condiciones de temperatura estándar y otros factores que podrían afectar adversamente la medición. Por acuerdo internacional, se ha establecido que la temperatura estándar es de 20 °C (68 °F). Los laboratorios de metrología funcionan en este estándar. Si se usan bloques de calibración u otros instrumentos de medición en un ambiente de fábrica, donde la temperatura difiere de este estándar, se requieren correcciones para la expansión o contracción térmicas. Asimismo, los bloques de calibración funcionales que se usan para inspección en el taller están sujetos al desgaste y deben calibrarse periódicamente contra bloques de calibración de laboratorio más precisos.

A4.1.2  Instrumentos de medición para dimensiones lineales Los instrumentos de medición se dividen en dos puntos: graduados y no graduados. Los dispositivos de medición graduados incluyen un conjunto de marcadores (llamados graduaciones) sobre una escala lineal o angular, contra la cual puede compararse la característica de interés del objeto. Los dispositivos de medición no graduados no poseen tal escala y se usan para hacer comparaciones entre las dimensiones o para transferir una dimensión y efectuar su medición mediante un dispositivo graduado. El más básico de los dispositivos de medición graduados es la regla (hecha de acero y con frecuencia llamada una regla de acero), que se usa para medir dimensiones lineales. Las reglas están disponibles en diversas longitudes. Las longitudes métricas incluyen 150, 300, 600 y 1 000 mm, con graduaciones de 1 o 0.5 mm, los tamaños comunes en Estados Unidos son 6, 12 y 24 pulg, con graduaciones de 1/32, 1/64 o 1/100 pulg. Existen calibradores en estilo graduado y no graduado. Un calibrador no graduado (que se conoce simplemente como calibrador) consta de dos patas unidas mediante un mecanismo articu­ lado, como se muestra en la figura A4.1. Los extremos de las patas están hechos para entrar en contacto con las superficies del objeto que se mide y la articulación está diseñada para sostener las patas en posición durante el uso. Los contactos apuntan hacia adentro o hacia afuera. Cuando

FIGURA A4.1  Dos tamaños de calibradores externos. (Cortesía de L. S. Starrett Co.) (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

FIGURA A4.2  Calibrador deslizable; se muestran ambos lados del instrumento. (Cortesía de L. S. Starrett Co.) (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

A4.1  Instrumentos de medición y calibradores convencionales   89

FIGURA A4.3  Calibrador vernier. (Cortesía de L. S. Starrett Co.) (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

FIGURA A4.4  Micrómetro externo, tamaño estándar de una pulgada con lectura digital. (Cortesía de L. S. Starrett Co.) (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

apuntan hacia adentro, como en la figura A4.1, el instrumento se denomina un calibrador externo y se usa para medir dimensiones externas como un diámetro. Cuando los contactos apuntan hacia afuera, se denomina un calibrador interno, el cual se usa para medir la distancia entre dos superficies internas. Un instrumento similar a la configuración del calibrador es el compás divisor, excepto que ambas piernas son rectas y terminan en contactos duros con puntas agudas. Los divisores se usan para establecer distancias en escala entre dos puntos o líneas sobre una superficie y para inscribir círculos o arcos sobre una superficie. Existen diversos calibradores graduados para diferentes propósitos de medición. El más simple es el calibrador deslizable, una regla de acero a la cual se le añaden dos quijadas, una fija en un extremo de la regla y la otra móvil, como se muestra en la figura A4.2. Los calibradores deslizables se usan para mediciones internas o externas, dependiendo si se usan las caras internas o externas de la quijada. Para usarlo, las quijadas se ponen en contacto con las superficies de las piezas que se van a medir y la posición de la quijada móvil indica la dimensión de interés. Los calibradores deslizables permiten mediciones más precisas y exactas que las reglas simples. Un refinamiento del calibrador deslizable es el calibrador vernier, que se muestra en la figura A4.3. En este dispositivo, la quijada móvil incluye una escala de vernier, llamada así en honor de P. Vernier (1580-1637), el matemático francés que la inventó. El vernier proporciona graduaciones de 0.01 mm en el SI (y 0.001 pulgadas en la escala de uso común en Estados Unidos), mucho más preciso que el calibrador deslizable. El micrómetro se usa ampliamente y es un dispositivo de medición muy exacto, su forma más común consiste en un husillo y en un yunque en forma de C, como se muestra en la figura A4.4. El mango se mueve en relación con el yunque fijo mediante una rosca de tornillo exacta. En un micrómetro común en USCS cada rotación del mango proporciona 0.025 pulg de viaje lineal. A cada eje se conecta un manguito graduado con 25 marcas alrededor de su circunferencia; cada marca corresponde a 0.001 pulg. Por lo general, la manga del micrómeFIGURA A4.5  Indicador de carátula: la vista derecha muestra tro está equipada con un vernier, el cual permite resoluciones la carátula y la cara graduada; la vista izquierda muestra la parte tan estrechas como 0.0001 pulg. En un micrómetro con una posterior del instrumento sin la placa que la cubre. (Cortesía de Federal Products Co., Providence, RI.) (Crédito: Fundamentals of escala métrica, las graduaciones son de 0.01 mm. Los micrómetros (y calibradores graduados) modernos están disponibles Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. con dispositivos electrónicos que despliegan una lectura digital Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

90  CAPÍTULO 4  Dimensiones, tolerancias y superficies

de la medición (como en la figura). Estos instrumentos son más fáciles de leer y eliminan mucho del error humano asociado con la lectura en los dispositivos graduados convencionales. Los tipos de micrómetro más comunes son: 1) el micrómetro externo, figura A4.4, también llamado micrómetro exterior, que se fabrica con diversos tamaños estándar de yunque; 2) el micrómetro interno, o micrómetro interior, que consiste en un ensamble de cabeza y un conjunto de varillas de diferentes longitudes para medir dimensiones exteriores que pudieran encontrarse, y 3) micrómetro de profundidad, similar a un micrómetro interno pero adaptado para medir profundidades de orificios.

A4.1.3  Instrumentos comparativos Los instrumentos comparativos se usan para confrontar las dimensiones entre dos objetos, como una pieza de trabajo y una superficie de referencia. En general, no son capaces de proporcionar una medición absoluta de la cantidad que interesa; en lugar de eso, miden la magnitud y dirección de la desviación entre dos objetos. Entre los instrumentos que se encuentran en esta categoría están los calibradores mecánicos y electrónicos. Calibradores mecánicos: indicadores de carátula  Los calibradores mecánicos están diseña-

dos para magnificar en forma mecánica la desviación, para permitir la observación. El instrumento más común en esta categoría es el indicador de carátula (figura A4.5), que convierte y magnifica el movimiento lineal de un apuntador de contacto en la rotación de una aguja de carátula. La carátula se gradúa en unidades pequeñas como 0.01 mm (0.001 pulg). Los indicadores de carátula se usan en muchas aplicaciones para medir rectitud, planicie, paralelismo, cuadratura, redondez y medidas exteriores. En la figura A4.6 se muestra una preparación típica para una medición exterior. Calibradores electrónicos  Los calibradores electrónicos son una familia de instrumentos de medición y calibración, basados en transductores, capaces de convertir un desplazamiento lineal en una señal eléctrica, que se amplifica y transforma en un formato de datos conveniente, como la lectura digital que se muestra en la figura A4.4. En años recientes se han incrementado rápidamente las aplicaciones de los calibradores, conducidas por avances en la tecnología de microprocesadores. Están sustituyendo en forma gradual a muchos de los dispositivos de medición y calibración convencionales. Entre las ventajas de los calibradores electrónicos están 1) buena sensibilidad, exactitud, precisión, repetitividad y velocidad de respuesta; 2) capacidad para medir dimensiones muy pequeñas, hasta de 0.025 µm (1 µpulg); 3) facilidad de operación; 4) reducción de errores humanos; 5) despliegue de la señal electrónica en diversos formatos, y 6) capacidad de interconexión con sistemas de computadoras para procesamiento de datos.

Indicador de carátula Contacto Pieza cilíndrica

Centro

Placa superficial FIGURA A4.6  Preparación de indicador de carátula, para medir una pieza externa; conforme la pieza gira alrededor de su centro, las variaciones en la superficie exterior en relación con el centro se indican en la carátula.

FIGURA A4.7  Transportador con bisel y escala de vernier. (Cortesía de L. S. Starrett Co.) (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

A4.2  Mediciones de superficies   91

A4.1.4  Mediciones angulares Los ángulos se miden usando alguno de los diversos estilos de transportadores. Un transportador simple consta de una hoja que se mueve como pivote en relación con una cabeza semicircular graduada en unidades angulares (por ejemplo, grados o radianes). Para usarlo, la hoja se gira a la posición que corresponde al ángulo de la pieza que se va a medir y éste se mide hacia adelante en escala angular. Un transportador con bisel (figura A4.7) tiene dos hojas rectas que funcionan como pivotes, una en relación con la otra. El ensamble de pivote tiene una escala de transportador que permite leer el ángulo formado por las hojas. Cuando está equipado con un vernier, el transportador con bisel puede leer alrededor de cinco minutos; sin un vernier, la resolución es de sólo un grado.

A4.2  Mediciones de superficies Las superficies constan de dos características principales: 1) textura de la superficie y 2) integridad de la superficie. En esta sección se analizará la medición de estas dos características.

A4.2.1  Medición de la rugosidad de la superficie Se usan diversos métodos para evaluar la rugosidad de la superficie. Se dividen en tres categorías: 1) comparación subjetiva con superficies de prueba estándar, 2) instrumentos electrónicos de aguja y 3) técnicas ópticas. Superficies de prueba estándar  Existen bloques estándar de acabado superficial, producidos para valores de rugosidad especificados.1 Para estimar la rugosidad de un espécimen de prueba determinado, la superficie se compara con el estándar tanto en forma visual como mediante la “prueba de uña”. En esta prueba, el usuario rasca suavemente las superficies del espécimen y el estándar, y determina qué estándar se acerca más al espécimen. Las superficies de prueba estándar son una forma conveniente para que un operador de máquinas obtenga un estimado de una rugosidad superficial. También son útiles para los ingenieros de diseño, con el propósito de juzgar qué valor de rugosidad de superficie debe especificar en el dibujo de una pieza. Instrumentos de aguja  La prueba de uña es subjetiva. Existen a la venta otros instrumentos tipo punzón para medir la rugosidad superficial, similares a la prueba de uña, pero con un enfoque más científico. En estos dispositivos electrónicos se mueve una aguja de diamante cónica, cuyo radio de punta mide alrededor de 0.005 mm (0.0002 pulg) y el ángulo en la punta es de 90°, a través de la superficie de prueba a una velocidad lenta constante. La operación se muestra en la figura A4.8. Conforme la cabeza de la aguja se mueve en forma horizontal, también se desplaza en forma vertical para seguir las desviaciones de la superficie. El movimiento vertical se convierte en una señal electrónica que representa la topografía de la superficie. Esto se despliega como un perfil de la superficie real, o bien como un valor de rugosidad promedio. Los dispositivos para perfilar usan un plano separado como la referencia nominal contra la cual se miden las desviaciones. El resultado es una retícula del contorno de la superficie a lo largo de la línea que recorre la aguja. Este tipo de sistema identifica tanto la aspereza como la ondulación en la superficie de prueba. Los dispositivos para promediar reducen las desviaciones de rugosidad a un valor único Ra. Usan movimiento de correderas sobre la superficie real para establecer el plano de referencia nominal. Las correderas funcionan como un filtro mecánico para reducir el efecto de la ondulación en la superficie; en efecto, estos dispositivos para promediar realizan en forma electrónica los cálculos de la ecuación (4.1). Técnicas ópticas  La mayoría de los otros instrumentos de medición de superficies emplean

técnicas ópticas para valorar la rugosidad. Estas técnicas se basan en la reflexión de la luz desde la superficie, la dispersión o difusión de la luz y la tecnología láser. Son útiles en aplicaciones

1

En USCS, estos bloques tienen superficies con valores de rugosidad de 2, 4, 8, 16, 32, 64 y 128 micropulgadas.

92  CAPÍTULO 4  Dimensiones, tolerancias y superficies

Dirección del recorrido Movimiento vertical de la aguja

Cabeza de la aguja Aguja Pieza de trabajo

FIGURA A4.8  Bosquejo que muestra la operación de un instrumento tipo aguja. La cabeza de la aguja recorre en forma horizontal la superficie, mientras que la aguja se mueve en forma vertical para seguir el perfil de la superficie. El movimiento vertical se convierte en: 1) un perfil de la superficie o 2) el valor de la rugosidad promedio. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

donde no es conveniente el contacto del punzón con la superficie. Algunas de las técnicas permiten una velocidad de operación muy alta, por lo que posibilitan una inspección al 100%. Sin embargo, las técnicas ópticas producen valores que no siempre se correlacionan bien con las mediciones de rugosidad hechas con instrumentos tipo aguja.

A4.2.2  Evaluación de la integridad de la superficie La integridad de la superficie es más difícil de valorar que la rugosidad de la superficie. Algunas de las técnicas para inspeccionar los cambios de la subsuperficie destruyen el espécimen de material. Entre las técnicas de evaluación para la integridad de la superficie están las siguientes: • Textura de la superficie. La rugosidad de la superficie, la descripción de la capa y otras medidas proporcionan datos superficiales sobre la integridad de la superficie. Este tipo de prueba es relativamente simple de realizar y siempre se incluye en la evaluación de la integridad de la superficie. • Examen visual. El examen visual revela diversos defectos superficiales como resquebrajaduras, cráteres, pliegues y arrugas. Este tipo de evaluación se amplifica con frecuencia mediante técnicas fluorescentes y fotográficas. • Examen microestructural. Esto implica técnicas metalográficas estándar para preparar secciones transversales y obtener fotomicrografías en las que se examina la microestructura de las capas superficiales, comparadas con el sustrato. • Perfil de microdureza. Las diferencias de dureza cerca de la superficie se detectan usando técnicas de medición de microdureza, como la de Knoop y Vickers (sección 3.2.1). Se secciona la pieza y se hace una gráfica de la dureza contra la distancia bajo la superficie para obtener un perfil de dureza de la sección transversal. • Perfil de esfuerzo residual. Se emplean técnicas de difracción de rayos X para medir los esfuerzos residuales en las capas de la superficie de una pieza.

PARTE II

Procesos de solidificación

5

Fundamentos de la fundición de metales

CONTENIDO DEL CAPÍTULO 5.1

5.2

Panorama de la tecnología de fundición 5.1.1 Procesos de fundición 5.1.2 Moldes para fundición en arena Calentamiento y vertido 5.2.1 Calentamiento del metal 5.2.2 Vertido del metal fundido 5.2.3 Análisis de ingeniería del vertido

5.3

Solidificación y enfriamiento 5.3.1 Solidificación de los metales 5.3.2 Tiempo de solidificación 5.3.3 Contracción 5.3.4 Solidificación direccional 5.3.5 Diseño de la mazarota

En esta parte del libro se estudian aquellos procesos de manufactura en los que el material de inicio se encuentra en forma líquida o en condición muy plástica, y se crea un objeto a través de su solidificación. Los procesos de fundición y moldeo dominan esta categoría de operaciones de conformación. Los procesos de solidificación se clasifican de acuerdo con el material de ingeniería que se procesa: 1) metales, 2) cerámicos, en específico vidrios,1 y 3) polímeros y compuestos de matriz de polímero (PMC, por sus siglas en inglés). En este capítulo y el siguiente se cubre la fundición de metales. El trabajo del vidrio se estudia en el capítulo 7 y el procesamiento de polímeros y PMC se tratan en los capítulos 8 y 9. La fundición es un proceso en el que metal derretido fluye por gravedad u otra fuerza hacia un molde en el que se solidifica con la forma de la cavidad de éste. El término fundición también se aplica al objeto que se fabrica por medio de este proceso. Es uno de los procesos más antiguos de conformación, pues se remonta a hace 6 000 años. El principio de la fundición parece sencillo: se derrite metal, se vierte en un molde y se deja enfriar y solidificar; no obstante, hay muchos factores y variables que deben considerarse a fin de lograr una operación de fundido exitosa. La fundición incluye la obtención tanto de lingotes como de formas. El término lingote por lo general se asocia con las industrias primarias de metales; describe un fundido grande de forma sencilla que se espera adopte otras formas por medio de procesos como rolado o forjado. Una

1 Entre los cerámicos sólo el vidrio se procesa por solidificación; los cerámicos nuevos y tradicionales reciben su forma con el empleo de procesos de partículas (véase el capítulo 11).

94  CAPÍTULO 5  Fundamentos de la fundición de metales

fundición de forma involucra la producción de formas más complejas que están mucho más cerca de la forma final que se desea que tenga la pieza o producto. Este capítulo y el siguiente tienen que ver más con la fundición de formas que con la de lingotes. Existe una variedad de métodos de fundición de formas, lo que la hace uno de los procesos de manufactura más versátiles. Entre sus posibilidades y ventajas se encuentran las siguientes: • La fundición se utiliza para crear formas complejas para las piezas, inclusive externas e internas. • Algunos procesos de fundición son capaces de producir piezas de forma neta. No se requieren operaciones adicionales de manufactura para obtener la forma y dimensiones requeridas de las piezas. Otros procesos de fundición son de forma casi neta, para las que se necesita algún procesamiento adicional (por lo general, maquinado) para dar forma, a fin de obtener dimensiones y detalles exactos. • La fundición se emplea para producir piezas muy grandes. Es posible hacer fundidos que pesan más de 100 toneladas. • El proceso de fundición se lleva a cabo en cualquier metal que pueda calentarse hasta llegar al estado líquido. • Algunos métodos de fundición son muy apropiados para la producción en masa. Asociadas con la fundición también hay algunas desventajas, distintas para métodos diferentes. Entre éstas se incluyen limitaciones de las propiedades mecánicas, porosidad, exactitud dimensional y acabado de la superficie defectuosas para ciertos procesos de fundición, peligros para la seguridad de los seres humanos cuando procesan metales fundidos, y problemas ambientales. Las piezas fabricadas con procesos de fundición varían su tamaño desde componentes pequeños que pesan unas cuantas onzas hasta productos muy grandes de varias toneladas. La lista de piezas incluye coronas dentales, joyería, estatuas, estufas para quemar madera, bloques y cabezas de motores para vehículos automotrices, armazones de maquinaria, ruedas de ferrocarril, cacerolas para freír, tubería y carcasas de bombas. Todas las variedades de metales pueden fundirse, ferrosos y no ferrosos. La fundición también se emplea con materiales como polímeros y cerámicos; sin embargo, los detalles son suficientemente distintos como para posponer el estudio de los procesos de fundición de esos materiales en capítulos posteriores. Este capítulo y el siguiente tienen que ver en forma exclusiva con la fundición de metales. En este capítulo se examinan los fundamentos que se aplican prácticamente a todas las operaciones de fundido. En el capítulo que sigue se describen los procesos individuales de fundición, así como algunos de los temas del diseño de productos que deben considerarse cuando se fabrican piezas fundidas.

5.1  Panorama de la tecnología de fundición Como proceso de producción, la fundición se lleva a cabo por lo general en una fundidora. Una fundidora es una fábrica equipada para hacer moldes, fundir y manejar metal en forma derretida, ejecutar el proceso de fundición, y limpiar el fundido terminado. Los trabajadores que llevan a cabo las operaciones de fundido en estas fábricas reciben el nombre de fundidores.

5.1.1  Procesos de fundición El estudio de la fundición comienza en forma lógica con el molde. El molde contiene una cavidad cuya configuración geométrica determina la forma de la pieza fundida. El tamaño y forma reales de la cavidad debe sobredimensionarse un poco para permitir la contracción de metal que ocurre durante la solidificación y enfriamiento. A metales diferentes corresponden cantidades distintas de contracción, por lo que la cavidad del molde debe diseñarse para el metal en particular que se va a fundir, si la exactitud dimensional es de importancia crítica. Los moldes están hechos de

5.1  Panorama de la tecnología de fundición   95

Embudo de vertido Mazarota

Metal fundido en la cavidad Núcleo

Metal fundido Marco superior Línea de separación

Bebedero

Vaciadero Caja de moldeo Molde a)

Marco inferior

b)

FIGURA 5.1  Dos formas de molde: a) molde abierto es tan sólo un contenedor con la forma de la pieza que se desea y b) molde cerrado, en la que la forma del molde es más compleja y requiere un sistema de paso (pasaje) que conduzca a la cavidad. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

varios materiales, que incluyen arena, yeso, cerámica y metal. Es frecuente que los procesos varios de fundición se clasifiquen de acuerdo con estos tipos diferentes de moldes. Para llevar a cabo la operación de fundido, primero se calienta el metal a una temperatura suficientemente alta que lo transforme por completo al estado líquido. Después se vierte, o se dirige, hacia la cavidad del molde. En un molde abierto (figura 5.1a), el metal líquido simplemente se vierte hasta que llena la cavidad abierta. En un molde cerrado (figura 5.1b) se adapta un pasaje denominado sistema de paso, que permite que el metal derretido fluya desde el exterior del molde hasta la cavidad. El molde cerrado es con mucho la categoría más importante de las operaciones productivas de fundición. Tan pronto como el metal fundido llega al molde, comienza a enfriarse. Cuando la temperatura baja lo suficiente (por ejemplo, al punto de congelación para un metal puro), empieza a solidificarse. La solidificación involucra un cambio de fase del metal. Se requiere de tiempo para completar el cambio de fase, y en el proceso se pierde una cantidad considerable de calor. Es durante esta etapa del proceso que el metal adopta la forma sólida de la cavidad del molde, y también se establecen muchas de las propiedades y características del fundido. Una vez que el fundido se ha enfriado lo bastante, se retira del molde. En función del método de fundido y el metal empleado, podría requerirse un procesamiento adicional. Esto incluye cortar el exceso de metal de la pieza fundida real, limpiar la superficie, inspeccionar el producto, y dar tratamiento térmico para mejorar sus propiedades. Además, quizá se requiera maquinar (véase el capítulo 16) con objeto de lograr tolerancias más estrechas para ciertas características de las piezas, y eliminar la superficie del fundido. Los procesos de fundición se dividen en dos categorías amplias, de acuerdo con el tipo de molde que se emplea: la fundición con molde desechable y la fundición con molde permanente. Molde desechable significa que el molde en que se solidifica el metal derretido debe destruirse para retirar el fundido. Estos moldes están hechos de arena, yeso o materiales similares, cuya forma se mantiene con el uso de aglutinantes de varias clases. La fundición con arena es el ejemplo más importante de los procesos con moldes desechables. En la fundición con arena, se vierte metal derretido en un molde de arena. Una vez que el metal se endurece, debe destruirse el molde a fin de recuperar el fundido. Un molde permanente es el que se utiliza una vez y otra para producir muchos fundidos. Está hecho de metal (o de un material refractario cerámico, lo que es menos común) que soporte las temperaturas elevadas de la operación de fundido. En la fundición con molde permanente, éste consiste en dos o más secciones que se abren para permitir el retiro de la pieza terminada. El troquel de fundición es el proceso más familiar de este grupo. Con los procesos de molde desechable por lo general son posibles formas más intrincadas para el fundido. En los procesos con molde permanente las formas de la pieza están limitadas por

96  CAPÍTULO 5  Fundamentos de la fundición de metales

la necesidad de abrir el molde. Por otro lado, algunos de los procesos con molde permanente tienen ciertas ventajas económicas en operaciones de producción elevada. En el capítulo 6 se estudian los procesos de fundición con moldes desechables y permanentes.

5.1.2  Moldes para fundición en arena La fundición con arena es por mucho el proceso de fundición más importante. Para describir las características básicas de un molde se usará un molde para fundición en arena. Muchas de estas características y términos son comunes a los moldes que se emplean en otros procesos de fundición. La figura 5.1b) muestra la sección transversal de un molde común de fundición de arena, en la que se indica parte de la terminología. El molde consiste en dos mitades: el marco superior y el marco inferior. El marco superior es la mitad superior del molde, y el marco inferior es la mitad inferior. Estas dos partes del molde están contenidas en una caja, llamada caja de moldeo, que también está dividida en dos mitades, una para el marco superior y la otra para el inferior. Las dos mitades del molde se separan en la línea de separación. En la fundición con arena (y en otros procesos con moldes desechables), la cavidad del molde se forma por medio de un modelo, hecho de madera, metal, plástico u otro material, y tiene la forma de la pieza por fundir. La cavidad se forma por medio de apisonar arena alrededor del modelo, sobre las mitades del marco superior y el inferior, de modo que cuando se retira el modelo, el vacío que queda tiene la forma que se desea para la pieza. El modelo por lo general está sobredimensionado a fin de permitir la contracción del metal cuando éste se solidifica y se enfría. La arena del molde está húmeda y contiene un aglutinante para que conserve su forma. La cavidad del molde proporciona las superficies externas de la pieza fundida. Además, un fundido puede tener superficies internas. Éstas quedan determinadas por medio de un núcleo, forma que se coloca dentro de la cavidad del molde para definir la forma interior de la pieza. En la fundición con arena, los núcleos por lo general están hechos también de arena, aunque pueden emplearse otros materiales como metales, yeso y cerámicos. El sistema de paso de un molde de fundición es el canal, o red de canales, por los que fluye el metal derretido desde el exterior hacia la cavidad. Como se aprecia en la figura, es común que el sistema de paso conste de un bebedero de vertido (también llamada sólo bebedero), por la que el metal ingresa por un vaciadero que conduce a la cavidad principal. En la parte superior del bebedero, es frecuente que se use un embudo de vertido para minimizar las salpicaduras y turbulencia conforme el metal fluye en el bebedero. En el diagrama aparece como un embudo sencillo en forma de cono. Algunos embudos de vertido están diseñados en forma de tazón, con un canal abierto que lleva al bebedero. Además del sistema de paso, cualquier fundido en el que la contracción sea significativa requiere una mazarota conectada a la cavidad principal. La mazarota es un almacenamiento en el molde que sirve como fuente de metal líquido para que el fundido compense la contracción durante la solidificación. La mazarota debe estar diseñada para que se solidifique después del fundido principal a fin de que cumpla su función. Conforme el metal pasa al molde, el aire que ocupaba en forma previa la cavidad, o bien los gases calientes que se forman por las reacciones del metal fundido, deben ser evacuados de modo que el metal llene por completo el espacio vacío. Por ejemplo, en la fundición con arena la porosidad natural de ésta permite que el aire y los gases escapen a través de las paredes de la cavidad. En los moldes permanentes de metal se perforan pequeños agujeros en el molde, o se maquinan hacia la línea de separación, para permitir la salida del aire y gases.

5.2  Calentamiento y vertido Para llevar a cabo una operación de fundido, el metal debe calentarse a una temperatura algo más elevada que su punto de fusión y luego verterse a la cavidad del molde para que se solidifique. En esta sección se estudian aspectos diversos de estas dos etapas de la fundición.

5.2

HEATING AND POURING To perform a casting operation, the metal must be heated to a temperature somewhat above its melting point and then poured into the mold cavity to solidify. In this section, we consider several aspects of these two steps in casting. 5.2  Calentamiento y vertido   97

5.2.1  Calentamiento del metal 5.2.1 HEATING THE METAL Para calentar el metalofa una temperatura de fusión6.4.1) suficiente parato la heat fundición se utilizan hornos Heating furnaces various kinds (Section are used the metal to a molten detemperature varias clases sufficient (véase la sección 6.4.1). La energía calorífica que se requiere es la suma de 1) el for casting. The heat energy required is the sum of (1) the heat to calor para elevar la temperatura al punto de fusión, 2) el calor de fusión para convertirlo de sólido raise the temperature to the melting point, (2) the heat of fusion to convert it from solid to a líquido 3) el para poner el metal fundido a la temperatura deseada para verterlo. Esto se liquid, yand (3)calor the heat to raise the molten metal to the desired temperature for pouring. expresa así: This can be expressed:

   H ¼ rV Cs ðT m � T o Þ þ H f þ Cl T p � T m (5.1) (5.1)

where H calor ¼ total required raise the the metal to the pouring donde H= totalheat que se requiereto para subir la temperature temperatura delofmetal a la temperatura a que 3 3 3); C ); (lbm/in C ¼ weight specific heat for the solid r ¼ density, s setemperature, vierte, J (Btu);J ρ(Btu); = densidad, g/cm3 g/cm (lbm/pulg = calor específico por peso para el metal s � � ¼ melting temperature the metal, F);temperatura To ¼ starting metal, J/g-C (Btu/lbm-F); sólido, J/g-C (Btu/lbm-F); Tm T =mtemperatura de fusión del of metal, °C (°F);CTo( = de � (� F);HfH=f ¼ heat fusion, (Btu/lbm); temperature—usually l ¼ weight inicio, la ambiental, por lo ambient, general, °CC(°F); calor deof fusión, J/gJ/g (Btu/lbm); Cl =Ccalor espe� � temperature, specific heatdel of metal the liquid metal, (Btu/lbm-F); Tp ¼ pouring cífico por peso líquido, J/g-CJ/g-C (Btu/lbm-F); Tp = temperatura de vertido, °C (°F),Cy (V F); = 3 3 3 (pulg3).cm (in ). and V del ¼ volume of se metal being volumen metal que calienta, cmheated, Equation(5.1) (5.1)tiene is of un conceptual value, but its computational is limited because La ecuación valor conceptual, pero su valor para lavalue realización de cálculos of limitado the following Specific1) heat and other thermal properties of atérmicas solid metal está por losfactors: factores(1) siguientes: el calor específico y otras propiedades del varysólido with varían temperature, especiallyenif especial the metal a change of fase phase during metal con la temperatura, si el undergoes metal sufre un cambio de durante el heating. (2) A heat be different the solidenand states. Most calentamiento. 2)metal’s El calorspecific específico de may un metal puede serindiferente losliquid estados sólido(3) y líquimetals de arelos alloys, and alloysson melt over a ytemperature range between do.casting 3) La mayoría metales quemost se funden aleaciones, la mayor parte de éstas se fun-a solidus and liquidus rather thanque at varía a single melting point; ythus, the heat fusion cannot den por arriba de una temperatura entre la de solidus liquidus, más of bien que con un be punto applied simply above.no(4) The aplicarse property en values required in the equation solo de so fusión; así,aselindicated calor de fusión puede forma tan simple como la que a particular alloy arede not available in most (5)apropiados There areque significant heat sefor ilustró. 4) En la mayoría losreadily casos, no se dispone de loscases. valores se requieren to thepara environment during heating. enlosses la ecuación una aleación particular. 5) Existen pérdidas caloríficas significativas hacia el ambiente durante el calentamiento.

5.2.2 POURING THE MOLTEN METAL 5.2.2  Vertido del metal fundido

After heating, the metal is ready for pouring. Introduction of molten metal into the mold, Después del its calentamiento, el metal está listo paraand verterlo. del metalstep derretido including flow through the gating system into La theintroducción cavity, is a critical in the encasting el molde, que incluye el flujo a través del sistema de paso y hacia la cavidad, es una etapa process. For this step to be successful, the metal must flow into all regions of the crítica del proceso de fundición. Para que esta etapa tenga éxito, el metal debe fluir hacia todas mold before solidifying. Factors affecting the pouring operation include pouring temlasperature, regiones pouring del molderate, antes de turbulence. solidificarse. Los factores que afectan la operación de vertido and incluyenThe los siguientes: temperatura la que se vierte, velocidad de vertido y turbulencia. pouring temperature isa the temperature of the molten metal as it is introduced La temperatura de vertido es aquella que tiene el metal derretido cuando se introduce al into the mold. What is important here is the difference between the temperature at molde. Lo que importa aquí es la diferencia entre la temperatura a que se vierte que metal tiene pouring and the temperature at which freezing begins (the melting point foryalapure al or comenzar la solidificación (el punto de fusión un temperature metal puro, o la temperatura liquidus the liquidus temperature for an alloy).para This difference is de sometimes para una aleación). Esta diferencia de temperatura en ocasiones se conoce como la de sobrecareferred to as the superheat. This term is also used for the amount of heat that must be lentamiento. Estethe término también se empleapouring para la and cantidad calor que debe retirarse del removed from molten metal between whende solidification commences [7]. metal derretido entre el vertido y el inicio de la solidificación [7]. Pouring rate refers to the volumetric rate at which the molten metal is poured into velocidad vertido refierethe a la tasa volumétrica a la que se viertefilling el metal theLamold. If thederate is tooseslow, metal will chill and freeze before thefundido cavity.alIf molde. Si la tasa es demasiado baja, el metal se enfriará y solidificará antes de llenar la cavidad. the pouring rate is excessive, turbulence can become a serious problem. Turbulence in Si la tasa de vertido es excesiva, la turbulencia se vuelve un problema serio. La turbulencia en el fluid flow is characterized by erratic variations in the magnitude and direction of the flujo de un fluido se caracteriza por variaciones erráticas en la magnitud y dirección de la velocidad en el fluido. El flujo se agita y es irregular en vez de ser suave y seguir líneas de corriente, como ocurre con el flujo laminar. Debe evitarse el flujo turbulento durante el vertido, por varias razones. Tiende a acelerar la formación de óxidos de metal que pueden quedar atrapados durante la solidificación, lo que degrada la calidad del fundido. La turbulencia también agrava la erosión del molde, que es la pérdida gradual de superficies del molde debido al impacto del flujo de metal derretido. Las densidades de la mayoría de los metales que se funden son mucho mayores que la del agua y otros fluidos que se estudia normalmente. Estos metales fundidos también tienen una química mucho más reactiva que cuando se encuentran a temperatura ambiente. En consecuencia, el desgaste ocasionado por el flujo de ellos en el molde es significativo, en especial en con-

98  CAPÍTULO 5 

streamlined, as in laminar flow. Turbulent flow should be avoided during pouring for velocity throughout throughout the the fluid. The The flow flow is is agitated and and irregular irregular rather rather than than smooth smooth and and velocity several reasons. It tendsfluid. to accelerate theagitated formation of metal oxides that can become streamlined, as in laminar flow. Turbulent flow should be avoided during pouring for streamlined, as insolidification, laminar flow.thus Turbulent flow during pouringalso for entrapped during degrading theshould qualitybe of avoided the casting. Turbulence several reasons. It tends to accelerate the formation of metal oxides that can become several reasons. tends the to accelerate the formation of metal oxides that become aggravates mold It erosion, gradual wearing away of the mold surfaces due can to impact of entrapped during during solidification, solidification, thus thus degrading degrading the the quality quality of of the the casting. Turbulence Turbulence also also entrapped the flowing molten metal. The densities of most molten metalscasting. are much higher than aggravates mold mold erosion, erosion, the the gradual gradual wearing wearing away of of the the mold mold surfaces surfaces due to to impact impact of of aggravates water and other fluids we normally deal with.away These molten metals are due also much more the flowing molten metal. The densities of most molten metals are much higher than Fundamentos de la fundición de metales the flowingreactive molten than metal. The densities of most molten metals are much chemically at room temperature. Consequently, the wear causedhigher by the than flow water and and other other fluids fluids we we normally normally deal deal with. with. These These molten molten metals metals are are also also much much more more water of these metals in the mold is significant, especially under turbulent conditions. Erosion is chemically reactive reactive than than at at room room temperature. temperature. Consequently, Consequently, the the wear wear caused caused by by the the flow chemically especially serious when it occurs theen main cavity because geometry of thedebido cast flow part diciones demetals turbulencia. La erosión esin seria especial siunder ocurreturbulent enthe la cavidad principal ais of these in the mold is significant, especially conditions. Erosion these metals in thefundida mold isresulta significant, especially under turbulent conditions. Erosion is is laaffected. queof forma de la pieza afectada. especially serious serious when when it it occurs occurs in in the the main main cavity cavity because because the the geometry geometry of of the the cast cast part part especially is affected. is affected.

5.2.3  Análisis de ingeniería 5.2.3 ENGINEERING ANALYSISdel OFvertido POURING variasare relaciones que gobiernan el flujo del metal través del sistema de paso denThere several relationships that govern the líquido flow ofa liquid metal through theygating 5.2.3 ANALYSIS OF POURING 5.2.3 ENGINEERING ENGINEERINGHay ANALYSIS POURING OFimportante trosystem del molde. Una es el teorema de Bernoulli, que establece que la suma de las and into the mold. An important relationship is Bernoulli’s theorem, which states

There are are several several relationships that that govern govern the the flow flow of of liquid metal metal through through the the gating gating There energías (piezométrica, presión, cinética fricción) kinetic, en dos puntos cualesquiera de two un líquido que that the sum of therelationships energies (head, ypressure, andliquid friction) at any points in a system and into the mold. An important relationship is Bernoulli’s theorem, which states system and into the mold. An important relationship is Bernoulli’s theorem, which states fluye, son iguales. Esto se escribe de la forma siguiente: flowing liquid are equal. This can be written in the following form: that the the sum sum of of the the energies energies (head, (head, pressure, pressure, kinetic, kinetic, and and friction) friction) at at any any two two points points in in aa that flowing liquid are equal. This can be written in the following form: 2 written in the2 following flowing liquid are equal. Thispcan form: vbe p v2 (5.2) h1 þ 1 þ 1 þ F 1 ¼ h2 þ þ 2 þ F 2 (5.2) r 2g r22 2g 2 2 2 2 v v p p 2 2 2 þ v111 þ þF F 11 ¼ þ v222 þ þF F 22 h11 þ þ p111 þ ¼h h22 þ þp þ (5.2) h (5.2) 1 1 2 2 r 2g r 2g r 2g r 2g 2N/cm 2); ρ = densi(lb/in2 2(lb/pulg ); r ¼ density, g/cm3 where ¼ head, cm (in), pcm ¼ pressure onpresión the liquid, N/cm donde h =h altura piezométrica, (pulg), p = del líquido, 33); (lbm/in v ¼ flow3);velocity, cm/s (in/sec); g ¼ gravitational constant, 981 cm/ dad, g/cmh (lbm/pulg v(in), = velocidad de flujo, (pulg/s); g =acceleration constante de aceleración de 33 2 2 (lb/in2 2 r la ¼ g/cm where ¼ head, cm p ¼ oncm/s the liquid, N/cm 2 2); 3 (lb/in ); ¼ density, density, g/cm where h ¼ head, cmin/sec/sec); (in), × p 12 ¼ pressure pressure thelosses liquid, N/cm (32.233 �981 12 ¼ 386 and F pulg/s/s), ¼on head due to friction, cmr (in). Subscripts la s/s gravedad, cm/s/s (32.2 = 386 y F = pérdidas piezométricas debidas a la1 (lbm/in vv ¼ flow velocity, cm/s (in/sec); gg ¼ gravitational acceleration constant, 981 cm/ 3); (lbm/in ); ¼ flow velocity, cm/s (in/sec); ¼ gravitational acceleration constant, 981 cm/ and 2 cm indicate any locations the liquid fricción, (pulg). Lostwo subíndices 1and yin 2 Findican dos flow. ubicaciones cualesquiera en el Subscripts flujo del lí-1 s/s � in/sec/sec); due to cm s/s (32.2 (32.2 � 12 12 ¼ ¼ 386 386 in/sec/sec); andsimplified F¼ ¼ head headinlosses losses dueways. to friction, friction, cm (in). (in). Subscripts Bernoulli’s equation can be several If we ignore friction losses1 quido. and 22 indicate any two locations in the liquid flow. and indicate any two locations in the liquid flow. (toLabeecuación sure, friction will affect the liquidde flow through a sand andlas assume thatpor the de Bernoulli se simplifica varias maneras. Si mold), se ignoran pérdidas Bernoulli’s equation can be in ways. If ignore friction losses Bernoulli’s can be simplified simplified in several several Ifdewe we losses system remains atequation atmospheric pressure throughout, then the equation can friction be arena, reduced fricción (seguramente, la fricción afectará el flujo del líquido aways. través unignore molde de y seto (to be be sure, sure, friction friction will will affect affect the the liquid liquid flow flow through through aa sand sand mold), mold), and and assume assume that that the the (to supone que entre tanto el sistema permanece a presión atmosférica, entonces la ecuación se redusystem remains remains at at atmospheric atmospheric pressure pressure throughout, throughout, then the equation can be reduced to 2 2then system the equation can be reduced to v v ce a (5.3) h1 þ 1 ¼ h2 þ 2 2g 2g vvv2212 vvv2222 2 1 ¼ h (5.3) þ þ h 2 1 1 2 (5.3) h (5.3) h11 þ 2g 2g ¼ h22 þ 2g 2g This can be used to determine the velocity of the molten metal at the base of the sprue. Let us define point 1 at the top of the sprue and point 2 at its base. If point 2 is used as This can be bepara useddeterminar to determine determine the velocity velocity of the the molten metal atdel thebebedero. base of of the the sprue. This can used to the of molten sprue. Esto utiliza velocidad metal derretido enmetal la 2base Se define ¼at 0)the andbase h1 is the height thesereference plane, then lathe head atdel that point is zero (h Let punto us define define point 1 at at the the de toplaof of the sprue sprue and point point 2 at at its its base. If point point 2 is iscomo usedelas as Let us point 1 top the and 2 base. If 2 used como 1 la parte superior mazarota, y punto 2 la base. Si el punto 2 se usa (length) of the sprue. When the metal is poured into the pouring cup and overflows ¼ 0) and h is the height the de reference plane, thenlathe the head at that that point point is zero (h 2 1 ¼ 0) and h is the height the reference plane, then head at is zero (h plano referencia, entonces altura piezométrica en él es igual a cero (h = 0) y h es la altura 2 1 (5.3) 2 1 Eq. further down the sprue, its initial velocity at the top is zero (v1 ¼ 0). 2 Hence, 1 (length)deof oflathe the sprue. sprue. Whenel the the metal is poured poured into the the pouring cup and overflows overflows (longitud) Cuando metal se vierte en el embudo y fluye por elcup bebedero, su velo(length) When metal is into pouring and simplifies toentrada. Hence, Eq. further down the sprue, its initial at the top zero (v cidad inicial la parte es de cero 0). is Así, la ecuación se simplifica más ¼ 0). 0).(5.3) Hence, Eq. (5.3) (5.3)aún further down the en sprue, its superior initial velocity velocity at (v the top is zero (v111 ¼ 1= simplifies to 2 y queda simplifies to v h1 ¼ 2 2g 2 vv22222 h11 ¼ (5.3bis) h ¼ 1 2g which can be solved for the flow velocity: 2g

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9:44:39

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pffiffiffiffiffiffiffiffi quewhich se resuelve la velocidad flujo: can solved for flow velocity: which can be bepara solved for the the de flow velocity: v ¼ 2gh (5.4) p ffiffiffiffiffiffiffiffiffi pffiffiffiffiffiffiffi vv ¼ 2gh (5.4) where v ¼ the velocity of the liquid metal (5.4) ¼ at2gh (5.4) the base of the sprue, cm/s (in/sec);(5.4) g¼ 981 cm/s/s (386 in/sec/sec); and h ¼ the height of the sprue, cm (in). where vvv ¼ velocity of liquid metal at base the sprue, cm/s (in/sec); ggg ¼ where ¼ the velocity of the liquid metal at the base of the sprue, cm/s ¼ where ¼ the the relationship velocity of the the liquid metal at the the base of of cm/s the sprue, cm/s (in/sec); ¼ Another of importance during pouring is the continuity law,cm/s/s which donde vcm/s/s = velocidad del metal líquido en la base de laof mazarota, (pulg/s); g =(in/sec); 981 981 (386 in/sec/sec); and h ¼ the height the sprue, cm (in). 981 cm/s/s (386 in/sec/sec); and h ¼ the height of the sprue, cm (in). 981 cm/s/s (386 in/sec/sec); and h ¼ the height of the sprue, cm (in). states that the of flow remains constant throughout the liquid. The volume (386 pulg/s/s), y h volume = alturarate del bebedero, cm (pulg). Another relationship of during pouring is law, which Another relationship of importance during pouring is the continuity law, which Another relationship of importance importance during pouring is the the continuity continuity law,flowing which flow rate is equal to the velocity multiplied by the cross-sectional areaestablece of the Otra relación importante durante el vertido es la ley de continuidad, que que la states that the volume rate of flow remains constant throughout the liquid. The volume states that the volume rate of flow remains constant throughout the liquid. The volume states that the volume rate of flow remains constant throughout the liquid. The volume Section 5.3/Solidification and Cooling es igual 103 tasa de flujo volumétrico permanece constante a través del líquido. El gasto volumétrico flow rate equal velocity multiplied by the area of flowing rate is equal to the multiplied the cross-sectional area of the flow rate is ismultiplicada equal to to the the velocity multiplied bytransversal the cross-sectional cross-sectional areafluye. of the the flowing a laflow velocidad porvelocity el área de la secciónby del líquido que Laflowing ley de la liquid. continuidad se expresa como: The continuity law can be expressed:

Q ¼ v1 A1 ¼ v2 A2

(5.5) (5.5)

3 donde Q= volumétrico, cm3rate, /s (pulg =3/sec); velocidad; = área de secciónA transversal /s v(in v ¼ Avelocity aslabefore; ¼ crosswhere Qgasto ¼ volumetric flow cm3/s); 2 2 2 2 delsectional líquido, area cm (pulg y los cm subíndices se refieren a dos puntos del sistema de (in ); and the subscripts refer tocualesquiera any two points in the flow of the),liquid, flujo. Así, un incremento del área da lugar a unaindisminución velocidad, y viceversa. system. Thus, an increase in area results a decreasede inlavelocity, and vice versa. Las Equations ecuaciones (5.4) (5.4) and y (5.5) indican que that el bebedero debe ser ahusado. Conforme el metal (5.5) indicate the sprue should be tapered. As the metal acelera duranteduring su descenso por la into abertura bebedero, el área la sección transversal accelerates its descent the del sprue opening, the de cross-sectional area of del the channel must be reduced; otherwise, as the velocity of the flowing metal increases toward the base of the sprue, air can be aspirated into the liquid and conducted into the mold cavity. To prevent this condition, the sprue is designed with a taper, so that the volume flow rate vA is the same at the top and bottom of the sprue. Assuming that the runner from the sprue base to the mold cavity is horizontal (and

liquid. The The continuity continuity law law can can be be expressed: expressed: liquid. Q¼ ¼ vv11A A11 ¼ ¼ vv22A A22 Q

(5.5) (5.5)

3 where Q Q¼ cm33/s/s (in (in3/sec); /sec); vv ¼ ¼ velocity velocity as as before; before; A A¼ ¼ crosscross¼ volumetric volumetric flow flow rate, rate, cm where 2 2 2 (in2 ); and the subscripts refer to any two points in the flow sectional area of the liquid, cm sectional area of the liquid, cm (in ); and the subscripts refer to any two points in the flow 5.3  Solidificación y enfriamiento   system. Thus, Thus, an an increase increase in in area area results results in in aa decrease decrease in velocity, velocity, and and vice versa. versa. 99 system. in vice Equations (5.4) (5.4) and and (5.5) (5.5) indicate indicate that that the the sprue sprue should should be be tapered. tapered. As As the the metal metal Equations accelerates during its descent into the sprue opening, the cross-sectional area of the accelerates during de itsotro descent the sprue opening, the cross-sectional area ofhacia the canal debe reducirse; modo,into mientras la velocidad del metal aumenta en su camino channel must be reduced; otherwise, as the velocity of the flowing metal increases toward be reduced; otherwise, as the velocity of the increases toward lachannel base delmust bebedero, el líquido podría aspirar aire y llevarlo a laflowing cavidad metal del molde. Para impedir the base base of of the the sprue, sprue, air air can can be be aspirated aspirated into into the the liquid liquid and and conducted conducted into into the the mold mold the esta condición, el bebedero se diseña con un ahusamiento, de modo que el gasto volumétrico vA cavity. To prevent this condition, the sprue is designed with a taper, so that the volume cavity.es Toelprevent this the sprue is designed siempre mismo en lascondition, partes superior e inferior de ella. with a taper, so that the volume flow rate vA isisque theelsame same at the the top and bottom of the sprue. sprue. flow vA the at top the Si rate se supone vaciadero que vaand de labottom base delof bebedero a la cavidad del molde es horiAssuming that the runner from the sprue base to the mold cavity horizontal (and that the piezométrica runner fromhthe sprue base toen the cavity isis horizontal (and zontal (yAssuming por tanto la altura es la misma que la mold base del bebedero), entonces el therefore the head h is the same as at the sprue base), then the volume rate of flow therefore the head h isdel thepaso same as la atcavidad the sprue base), permanece then the volume rate of base. flow gasto volumétrico a través hacia del molde igual a vA en la through the gate gate and intoestimar the mold mold cavityque remains equalpara to vA vA at the the base. Accordingly, Accordingly, through the into the cavity remains equal to at base. En consecuencia, esand posible el tiempo se requiere llenar la cavidad de un molde we can estimate the time required to fill a mold cavity of volume V as can estimate dewe volumen V, así: the time required to fill a mold cavity of volume V as

V ¼V MF ¼ TTMF Q Q



(5.6) (5.6) (5.6) 3

3

33 (in33); 3and Q3 ¼ ¼ mold mold filling time, (sec);s;V V ¼ volume volume of of mold cavity, cm where MF donde TMF = tiempo defilling llenado del molde, V¼ = volumen demold la cavidad delcm molde, (pulg ), ¼ time, ss (sec); cavity, (in cm ); and Q¼ where TTMF volume flow rate, as before. The mold filling time computed by Eq. (5.6) must be y volume Q = gasto volumétrico. El tiempo de llenado del molde calculado por medio de la ecuación flow rate, as before. The mold filling time computed by Eq. (5.6) must be considered minimum time. mínimo. This isis because because theaanalysis analysis ignores friction losses and and (5.6) debe considerarse un tiempo Esto se debe que el análisis ignora las pérdidas por considered aa minimum time. This the ignores friction losses possible constriction of flow in the gating system; thus, the mold filling time will be longer fricción y la posible obstrucción del flujo en el sistema de paso; así, el tiempo de llenado del possible constriction of flow in the gating system; thus, the mold filling time will be longer than what is given by Eq. (5.6). molde debe ser mayor que el que se obtiene con la ecuación (5.6). than what is given by Eq. (5.6).

Example5.1 5.1 Ejemplo Example 5.1 Pouring Cálculos Pouring del Calculations vertido Calculations

2 2 . The A mold sprue sprue 20 cm cmmide long,20and and the cross-sectional area at its its base base isis 2.5 2.5 cm cmsu sprue ElA bebedero de unisismolde cmthe de largo, y el área dearea la sección transversal en basesprue es de mold 20 long, cross-sectional at . The 2. a feeds horizontal runner leading into a mold cavity whose volume is 1560 cm33.. El bebedero alimenta un vaciadero horizontal que conduce a la cavidad de un molde 2.5 cm feeds a horizontal runner leading into a mold cavity whose volume is 1560 cm Determine: (a)de velocity of 3the the molten metal metal at the the base base ofmetal the sprue, sprue, (b) (b)envolume volume rate cuyo volumen (a) es 1 560 cm . Determine: a) la at velocidad delof derretido la baserate del Determine: velocity of molten the of flow, and (c) time to fill the mold. bebedero, b) la tasa de flujo volumétrico y c) el tiempo que toma llenar el molde. of flow, and (c) time to fill the mold.

Solution: a)(a) (a) The velocity velocity of the the flowing metal at the base of of the sprue is given given by by Solución:  La velocidad del flujo de metal en metal la baseat dethe la entrada está dada por is la ecuación Solution: The of flowing base the sprue Eq. (5.4): (5.4): (5.4): Eq.

¼ vv ¼

ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi pffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi p 2ð981Þð20Þ ¼ ¼ 198:1 198:1cm=s cm=s 2ð981Þð20Þ

b)(b) El gasto volumétricoflow es rate (b) The volumetric volumetric flow rate isis The � � 3 =s Q¼ ¼ �2:5 2:5cm cm22�ð198:1 ð198:1cm=sÞ cm=sÞ ¼ ¼ 495 495cm cm3 =s Q





3 c)(c) El Time tiempo que se requiere llenar la cavidad de cm un 3molde deflow 1 560rate cm3isiscon ese gasto es at this this flow rate (c) Time required required to fill fill apara a mold mold cavity of 1560 1560 cm at to cavity of



¼11560=495 1560=495 ¼ 3.2 3:2ss MF = TMF 560/495 = TT ¼ ¼ 3:2s MF

& ■ &

5.3  Solidificación y enfriamiento

5.3 SOLIDIFICATION SOLIDIFICATION AND AND COOLING COOLING 5.3 Después de que se vierte al molde, el metal derretido se enfría y solidifica. En esta sección se Afterelpouring pouring intofísico the mold, mold, the molten molten metal metal coolsdurante and solidifies. solidifies. In this this section we estudia mecanismo de la solidificación que ocurre la fundición. Lossection temas asoAfter into the the cools and In we examine the physical mechanism of solidification that occurs during casting. Issues ciados con ella tiempo que necesita un metal para las contracciones, la examine the incluyen physicalelmechanism of solidification thatsolidificarse, occurs during casting. Issues associatedwith with solidification include the timefor foraametal metalto tofreeze, freeze,shrinkage, shrinkage,directional directional solidificación direccional y el diseño de lathe mazarota. associated solidification include time solidification, and and riser riser design. design. solidification,

5.3.1  Solidificación de los metales La solidificación involucra la transformación del metal derretido de nuevo al estado sólido. El proceso de solidificación difiere en función de si el metal es un elemento puro o una aleación. Metales puros  Un metal puro se solidifica a una temperatura constante igual a su punto de

adhesión, el cual es el mismo punto de fusión. Los puntos de fusión de los metales puros se conocen y están bien documentados (véase la tabla 3.10). El proceso ocurre a lo largo del tiempo, como se ilustra en la gráfica que aparece en la figura 5.2, que se denomina curva de enfriamiento.

100  CAPÍTULO 5  Fundamentos de la fundición de metales

Temperatura de vertido

FIGURA 5.2  Curva de enfriamiento para un metal puro durante la fundición. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

Temperatura

Enfriamiento líquido Comienza la solidificación Tm Tiempo local de solidificación Tiempo total de solidificación

Termina la solidificación Temperatura de solidificación Enfriamiento sólido

Tiempo

La solidificación real toma tiempo, llamado tiempo local de solidificación del fundido, durante el cual el calor de fusión latente del metal se libera hacia el molde que lo rodea. El tiempo total de solidificación es aquel que transcurre entre el vertido y la solidificación completa. Después de que el fundido se ha solidificado por completo, el enfriamiento continúa a la tasa indicada por la pendiente hacia abajo de la curva de enfriamiento. Debido a la acción enfriadora de la pared del molde, al principio se forma una capa delgada de metal sólido en la interfaz inmediatamente después del vertido. El espesor de esta capa se incrementa y forma una costra alrededor del metal derretido conforme la solidificación avanza hacia el centro de la cavidad. La tasa a la que la solidificación sucede depende de la transferencia de calor al molde, así como las propiedades térmicas del metal. Es de interés examinar la formación de granos metálicos y su crecimiento durante el proceso de solidificación. El metal que forma la capa inicial se ha enfriado con rapidez por la extracción de calor a través de la pared del molde. Esta acción de enfriamiento ocasiona que los granos de la capa sean finos, de ejes iguales y orientados al azar. Conforme el enfriamiento continúa, se forman más granos y crecen en dirección opuesta a la de la transferencia de calor. Como ésta ocurre a través de la capa y pared del molde, los granos crecen hacia el interior como agujas o espinas de metal sólido. Conforme estas espinas crecen se forman ramas laterales, y mientras éstas también crecen se forman otras ramas a ángulos rectos de las primeras. Este tipo de crecimiento de granos se conoce como crecimiento dendrítico, y ocurre no sólo en la solidificación de los metales puros sino también en la de aleaciones. Estas estructuras parecidas a árboles se llenan en forma gradual durante la solidificación, conforme se deposita más metal en las dendritas, hasta que ocurre la solidificación completa. Los granos que resultan de este crecimiento dendrítico adoptan una orientación preferente, tienden a ser gruesos, y hay granos alargados en dirección del centro del fundido. En la figura 5.3 se ilustra la formación de granos que resulta. Mayoría de aleaciones  La mayor parte de aleaciones se solidifican en un rango de temperaturas en vez de a una temperatura única. El rango exacto depende del sistema de aleación y la composición particular. La solidificación de una aleación se explica con auxilio de la figura 5.4, que muestra el diagrama de fase para un sistema particular de aleación y la curva de enfriamiento para una composición dada. Conforme la temperatura cae, comienza la solidificación a la temperatura indicada por el liquidus y termina cuando se alcanza el solidus. El comienzo de la solidificación es similar a la de un metal puro. Se forma una capa delgada en la pared del molde debido al gradiente de temperatura mayor en esa superficie. Luego, la solidificación continúa igual que se describió antes, con la formación de dendritas que crecen hacia afuera de las paredes. Sin embargo, debido a la dispersión de temperatura entre el liquidus y el solidus, la naturaleza del

5.3  Solidificación y enfriamiento   101

FIGURA 5.3  Estructura característica de los granos en un fundido de metal puro, en la que se ilustran los granos de tamaño pequeño orientados al azar cerca de la pared del molde, y granos grandes alargados orientados hacia el centro del fundido. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

1 455 °C (2 651 °F)

Temperatura

crecimiento dendrítico es tal que se forma una zona de avance en la que coexiste metal tanto líquido como sólido. Las porciones sólidas son las estructuras dendríticas que se formaron lo suficiente como para atrapar islas pequeñas de metal líquido en la matriz. Esta región sólida-líquida tiene consistencia suave que ha dado lugar a su nombre de zona blanda. En función de las condiciones de solidificación, la zona blanda puede ser relativamente angosta, o existir a través de la mayor parte del fundido. Esta última condición la favorecen factores como la transferencia lenta de calor a partir del metal caliente, y una diferencia grande entre las temperaturas de liquidus y el solidus. En forma gradual, las islas de líquido en la matriz dendrítica se solidifican conforme disminuye la temperatura del fundido hacia la de solidus para la composición de la aleación dada. Otro factor que complica la solidificación de las aleaciones es que cuando comienzan a formarse las dendritas su composición favorece al metal con el punto de fusión más elevado. En tanto la solidificación continúa y las dendritas crecen, se desbalancea la composición entre el metal que ya se solidificó y el restante que sigue derretido. Este desbalanceo en la composición se manifiesta al final, en el fundido terminado, en forma de la segregación de los elementos. La segregación es de dos tipos, microscópica y macroscópica. Microscópicamente, la composición química varía entre los granos individuales. Esto se debe al hecho de que la espina inicial de cada dendrita tiene una proporción mayor de uno de los elementos de la aleación. Conforme las dendritas crecen, deben expandirse con el uso del metal líquido restante que ha disminuido parcialmente del primer componente. Al final, el último metal en solidificarse en cada grano es el que

Solución líquida Liquidus

Temperatura de vertido Enfriamiento líquido Comienza la solidificación

Temperatura

L+S

Solidificación terminada

Solidus 1 083 °C (1 981 °F) Solución sólida

Ni

50% % Cobre a)

Cu

Tiempo total de solidificación

Enfriamiento sólido

Tiempo b)

FIGURA 5.4  a) Diagrama de fase para un sistema de aleación cobre-níquel y b) curva de enfriamiento asociada para una composición de 50% Ni y 50% Cu, durante la fundición. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

FIGURE 5.5 Characteristic grain structure in an alloy casting, showing segregation of alloying components in the center of casting. (Credit: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4th Edition by Mikell P. Groover, 2010. Reprinted with permission 102  CAPÍTULO 5  Fundamentos de laWiley fundición de metales of John & Sons, Inc.)

Another factor complicating solidification of alloys is that the composition of the dendrites as they start to form favors the metal with the higher melting point. As freezing continues and the dendrites grow, there develops an imbalance in composition between the metal thatEstructura has solidified and the remaining FIGURA 5.5  de grano característica de unmolten fundido metal. de alea- This composition imbalance is finally manifested the completed in thedeform of segregation of the elements. ción, en la que se aprecia in la segregación de loscasting componentes la aleación en el centro del fundido. Fundamentals of Modern ManufactuThe segregation is of(Crédito: two types, microscopic and macroscopic. At the microscopic level, ring, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010.throughout Reimpreso con autorización de grain. This is due to the fact the chemical composition varies each individual John & Sons, Inc.) thatWiley the beginning spine of each dendrite has a higher proportion of one of the elements in the alloy. As the dendrite grows in its local vicinity, it must expand using the remaining liquid metal that has been partially depleted of the first component. Finally, the last metal to freeze in each grain is that which has been trapped by the branches of the dendrite, and ha atrapado por ramas de lasout dendritas, y su composición está aaún más fueraindechemical balance. itssido composition is las even further of balance. Thus, we have variation Así, se tiene una variación de la composición química dentro de los granos individuales del funcomposition within single grains of the casting. dido. At the macroscopic level, the chemical composition varies throughout the entire Macroscópicamente, la composición química varía enfirst todo fundido. Como regiones casting. Since the regions of the casting that freeze (atelthe outside nearsusthe mold que se solidificaron primero (hacia fuera, cerca de las paredes del molde) son más ricas en un walls) are richer in one component than the other, the remaining molten alloy is deprived componente que en otro, la aleación derretida restante queda privada de él en el momento en que of that component by the time freezing occurs at the interior. Thus, there is a general ocurre la solidificación en el interior. Así, hay una segregación general a través de la sección segregation through the cross section of the casting, sometimes called ingot segregation, transversal del fundido, a veces se denomina segregación de lingote, como se ilustra en la as illustrated in Figureque 5.5. figura 5.5. Eutectic Alloys Eutectic constitute exception to the general by se which Aleaciones eutécticas  Éstasalloys constituyen una an excepción al proceso general process por el que soli-

alloys las solidify. A eutectic alloy is eutéctica a particular composition in an alloy system which difican aleaciones. Una aleación es una composición particular de un for sistema de the solidus and liquidus are at the same temperature. Hence, solidification occurs at a aleación para el que el solidus y el liquidus están a la misma temperatura. Así, la solidificación constant temperature (called(llamada the eutectic temperature) ratherenthan over a temperature ocurre a temperatura constante la temperatura eutéctica) lugar de en un rango. Alrange. Examples of eutectic alloys encountered in casting include aluminum–silicon gunos ejemplos de aleaciones eutécticas que se encuentran en la fundición incluyen aluminio(11.6% Si) and casty hierro iron (4.3% C).(4.3% de C). silicio (11.6% de Si) fundido

5.3.2  SOLIDIFICATION Tiempo de solidificación 5.3.2 TIME Ya sea que the el fundido un metal puro solidification o en una aleación, la time. solidificación toma tiempo. Whether castingconsista is pureen metal or alloy, takes The total solidificaEl tiempo total de solidificación es el que se requiere para que el fundido se solidifique después tion time is the time required for the casting to solidify after pouring. This time is del vertido. Este del tamaño forma del en unarelationship relación empírica conodependent on tiempo the sizedepende and shape of the ycasting by fundido, an empirical known as cida como regla de Chvorinov, que establece lo siguiente: Chvorinov’s rule, which states:  n V (5.7) (5.7) T TS ¼ Cm A 3 3 3 (pulg total solidification time, min; V ¼Vvolume of the cm ); A3);¼Asurface whereTTTS=¼tiempo donde total2 de solidificación, min; = volumen delcasting, fundido, cm(in = área TS 2 2 2 ); n(pulg is an );exponent usually taken to have a value ¼ 2; and Ctiene area of the casting, cm (incm m is de la superficie del fundido, n es un exponente que por lo general se acepta que 2 2 min/cm (min/in value2 thevalor mold that n del ¼ 2,molde. the units ofque Cmnare un deconstant. 2, y Cm esGiven la constante Dado = 2, las unidades de ), Cmand sonits min/cm depends 2on conditions of the casting operation,deincluding molddematerial (e.g., (min/pulg ), ythe su particular valor depende de las condiciones particulares la operación fundición, inspecific heat, thermal conductivity), thermal the cast metal (e.g.,propiedaheat of cluyendo el material del molde (por ejemplo, calorproperties específico, of conductividad térmica), fusion, specific heat,que thermal and de pouring relative to the des térmicas del metal se fundeconductivity), (por ejemplo, calor fusión, temperature calor específico, conductividad for a given casting operation cande beCbased melting point of the metal. The value of Cal m punto térmica), y la temperatura de vertido respecto de fusión del metal. El valor m para una operación de fundido se basa en datos experimentales de operaciones anteriores efectuadas con el empleo del mismo material del molde, metal y temperatura de vertido, aun si la forma de la pieza fuera muy diferente. La regla de Chvorinov indica que un fundido con una razón grande de volumen a superficie se enfriará y solidificará con más lentitud que otra con una razón menor. Este principio se emplea para diseñar la mazarota de un molde. Para que desempeñe su función de alimentar el metal fundido a la cavidad principal, el metal en la mazarota debe permanecer en fase sólida más tiempo que el fundido. En otras palabras la TTS para la mazarota debe exceder la TTS del fundido principal. Como las condiciones del molde son las mismas tanto para la mazarota como para fundido, sus constantes de molde deben ser iguales. Si se diseña la mazarota para que tenga una razón

5.3  Solidificación y enfriamiento   103

mayor de volumen a área, se puede tener seguridad razonable en que el fundido principal se solidifique primero y que los efectos de la contracción se minimicen. Antes de considerar la manera en que se diseña la mazarota con la regla de Chvorinov, se estudiará el tema de la contracción, que es la razón por la que se necesitan las mazarotas.

5.3.3 Contracción El estudio presente de la solidificación ha ignorado el efecto de la contracción que tiene lugar durante el enfriamiento y solidificación. La contracción ocurre en tres etapas: 1) contracción líquida durante el enfriamiento antes de la solidificación; 2) contracción durante el cambio de fase de líquida a sólida, llamada contracción por solidificación, y 3) contracción térmica del fundido solidificado durante el enfriamiento a temperatura ambiente. Las tres etapas se explican en relación con un fundido cilíndrico hecho en un molde abierto, como se ilustra en la figura 5.6. El metal fundido inmediatamente después del vertido aparece en el inciso 0 de la serie. La contracción del metal líquido durante el enfriamiento desde la temperatura de vertido hasta la de solidificación hace que la altura del líquido se reduzca de su nivel inicial, como se ilustra en el inciso 1 de la figura. La cantidad de esta contracción líquida por lo general es de alrededor de 0.5%. La contracción por solidificación que se observa en el inciso 2, tiene dos efectos. En primer lugar, ocasiona una reducción adicional en la altura del fundido. En segundo, la cantidad de metal líquido disponible para alimentar la porción central superior del fundido se ve restringida. En general ésta es la última región que se solidifica, y la ausencia de metal crea un vacío en esa ubicación del fundido. Los trabajadores de la fundición llaman rechupe a esa cavidad por contracción. Una vez que se solidifica, el fundido experimenta más contracción de su altura y diámetro durante su enfriamiento, como se aprecia en el inciso 3 de la figura. Esta contracción está determinada por el

FIGURA 5.6  Contracción de un fundido cilíndrico durante la solidificación y enfriamiento: 0) nivel de inicio del metal fundido inmediatamente después del vertido; 1) reducción del nivel ocasionado por la contracción líquida durante el enfriamiento; 2) disminución de la altura y formación de una cavidad de contracción ocasionada por la contracción de la solidificación, y 3) reducción adicional de la altura y diámetro debido a la contracción térmica durante el enfriamiento del metal sólido. Por claridad, las reducciones dimensionales se han exagerado en los dibujos. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

Reducción del nivel debido a la contracción líquida

Nivel de inicio inmediatamente después del vertido

Solidificación inicial en la pared del molde

Metal fundido

0)

1)

Reducción de la altura debido a la contracción por solidificación

Contracción térmica del sólido Cavidad de contracción Metal fundido Metal sólido

2)

3)

104  CAPÍTULO 5  Fundamentos de la fundición de metales

TABLA 5.1  Valores comunes de contracción lineal para distintos metales de fundición debido a la contracción térmica por solidificación Metal

Contracción lineal

Metal

Contracción lineal

Aleaciones de aluminio Latón, amarillo Hierro colado, gris Hierro colado, blanco

1.3% 1.3%-1.6% 0.8%-1.3% 2.1%

Magnesio Aleación de magnesio Níquel Acero al carbono

2.1% 1.6% 2.1% 1.6%-2.1%

Metal

Contracción lineal

Acero al cromo Estaño Zinc

2.1% 2.1% 2.6%

Recopilado de [10].

coeficiente de expansión térmica del metal, que en este caso se aplica a la inversa para determinar la contracción. La contracción por solidificación ocurre en casi todos los metales porque la fase sólida tiene una densidad mayor que la líquida. La transformación de fase que acompaña a la solidificación ocasiona una reducción del volumen por unidad de peso del metal. La excepción es el hierro colado con alto contenido de carbono, cuya solidificación se complica por la existencia de un periodo de grafitización, lo que origina una expansión que tiende a compensar la disminución volumétrica que se asocia con el cambio de fase [7]. La compensación para la contracción por solidificación se logra de diversas formas dependiendo de la operación de fundido. En la fundición en arena, el metal líquido se vierte en la cavidad por medio de mazarotas (sección 5.3.5). En la fundición en troquel (sección 6.3.3), el metal fundido se aplica bajo presión. Los modelistas intervienen en la contracción por solidificación y en la térmica, porque hacen que las cavidades del molde aumenten su tamaño. La cantidad en la que el molde debe hacerse más grande en relación con el tamaño del fundido final se denomina tolerancia por contracción del modelo. Aunque la contracción es volumétrica, las dimensiones del fundido casi siempre se expresan linealmente, por lo que las tolerancias deben aplicarse en concordancia. Para hacer los modelos y moldes más grandes que el fundido que se desea en la cantidad apropiada, se usan “reglas de contracción” especiales con escalas elongadas ligeramente. En la tabla 5.1 se presentan los valores comunes de contracción lineal para distintos metales fundidos; estos valores pueden usarse para determinar escalas de contracción.

5.3.4  Solidificación direccional A fin de minimizar los efectos del daño que causa la contracción, es deseable que las regiones del fundido más lejos del suministro de metal líquido se solidifiquen primero, y que este proceso avance desde ellas hacia la(s) mazarota(s). De esta manera, se dispone en forma continua de metal derretido en los vertedores para impedir que se formen vacíos de contracción durante la solidificación. El término solidificación direccional se utiliza para describir este aspecto del proceso de solidificación y los métodos con los que se controla. La solidificación direccional deseada se logra aplicando la regla de Chvorinov en el diseño del fundido en sí, su orientación dentro del molde y el diseño del sistema de la mazarota que lo alimenta. Por ejemplo, si se colocan secciones del fundido con razones V/A menores lejos de la mazarota, la solidificación ocurrirá primero en esas regiones, y el suministro de metal líquido para el resto del fundido permanecerá abierto hasta que se solidifiquen dichas secciones voluminosas. Tan importante como el inicio de la solidificación en regiones apropiadas de la cavidad, es evitar la solidificación prematura en las secciones del molde más cerca de la mazarota. El pasaje entre la mazarota y la cavidad principal tiene importancia particular. Esta conexión debe diseñarse de modo que no se solidifique antes que el fundido, lo que aislaría al fundido del metal fundido de la mazarota. Aunque por lo general es deseable minimizar el volumen en la conexión (para reducir el desperdicio de metal), el área de la sección transversal debe ser suficiente a fin de retrasar la solidificación. Este objetivo se facilita si se hace corto el pasaje, de modo que absorba calor del metal fundido en la mazarota y en el fundido.

connection must be designed designed in such such aa way way that it it the doesriser not and freeze before the casting, casting, Of particular concern is the passageway between thebefore main cavity. This connection must be in that does not freeze the generally desirable todesigned minimize the volume in the it connection (to reduce wasted metal), connection must be in such aa the way that does not freeze before the casting, which would isolate the casting from molten metal in the riser. Although it is is connection must be designed in such way that it does not freeze before the casting, which would isolate the casting from the molten metal in the riser. Although it the cross-sectional area must bethe sufficient to delay the onset of reduce freezing. This metal), goal is which would isolate the casting from the molten metal in the riser. Although it generally desirable to minimize volume in the connection (to wasted which would isolate the casting from the molten metal in the riser. Although it is generally desirable to minimize the volume in the connection (to reduce wasted metal), usually aided by making the passageway short in length, so that it absorbs heat from the generally desirable to minimize the volume in the connection (to reduce wasted metal), the cross-sectional area must be sufficient to delay the onset of freezing. This goal is generally desirable to minimize the volume in the connection (to reduce wasted metal), the cross-sectional be to delay the onset of freezing. This goal is molten metal by in making thearea risermust and thesufficient casting. the area must be sufficient to delay the onset freezing. This goal is usually aided the passageway short in length, so that of it absorbs absorbs heat from the the cross-sectional cross-sectional area must be sufficient to in delay the so onset of freezing.heat This goalthe is usually aided by making the passageway short length, that it from usually aided by making the passageway short in length, so that it absorbs heat from the molten metal in the riser and the casting. usually aided by making the passageway short in length, so that it absorbs heat from the molten metal in the riser and the casting. molten 5.3  Solidificación y enfriamiento   105 molten metal metal in in the the riser riser and and the the casting. casting.

5.3.5 5.3.5 5.3.5 5.3.5  5.3.5 5.3.5

RISER DESIGN RISER DESIGN As described earlier, a riser, Figure 5.1(b), is used in a sand-casting mold to feed liquid RISER DESIGN Diseño de la mazarota RISER RISER DESIGN DESIGN metal to the casting in orderisto compensate for solidification shrinkage. As described earlier,during a riser,freezing Figure 5.1(b), used in a sand-casting mold to feed liquid

Example5.5 5.2 Riser Ejemplo Design Using Diseño de la Riser Example 5.2 5.2 Example Riser Example 5.2 Rule Riser Chvorinov’s mazarota con la Design Using Using Example 5.2 Riser Design Design Using regla de Using Chvorinov Chvorinov’s Rule Design Chvorinov’s Rule Chvorinov’s Chvorinov’s Rule Rule

As earlier, aamust riser, Figure 5.1(b), is used aathe sand-casting mold to feed Como ya se describió, la mazarota [véasemolten la figurauntil sein en un molde de fundición con As described described earlier, riser,remain Figure 5.1(b), is5.1b)] used inemplea sand-casting mold toChvorinov’s feed liquid liquid To function, the riser after casting solidifies. metal toalimentar the casting casting during freezing in order order to compensate for solidification solidification shrinkage. As para described earlier, a riser, Figure 5.1(b), isto used insolidificación, a sand-casting mold todefeed liquid metal to the during freezing in compensate for shrinkage. arena el metal líquido al fundido durante la con objeto compenmetal to the casting during freezing in order to compensate for solidification shrinkage. rule can be used to during compute the size of a until riser that will satisfy this requirement. The To function, the riser must freezing remain molten after the casting casting solidifies. Chvorinov’s metal to the casting inque order to compensate for solidification shrinkage. the must molten until the solidifies. Chvorinov’s sarTo la function, contracción porriser solidificación. Para funcione, la mazarota debe permanecer derretida To function, the riser must remain remain molten until after after the casting solidifies. Chvorinov’s following example illustrates the calculation. rule can be be used used to compute the size of La a until riser that will satisfy this requirement. The To después function, the must remain molten the casting solidifies. rule to size that will requirement. hasta queriser el compute fundido solidifica. reglaafter de Chvorinov se this utiliza paraChvorinov’s calcularThe el rule can can bede used to computesethe the size of of aa riser riser that will satisfy satisfy this requirement. The following example illustrates the calculation. rule can be used to compute the size of a riser that will satisfy this requirement. following illustrates tamaño de la example mazarota que satisfaráthe esecalculation. requerimiento. El ejemplo siguiente ilustra el cálculo.The following example illustrates the calculation. following example illustrates the calculation. A cylindrical must cilíndrica be designed sand-casting mold.enThe casting itself isenasísteel Debe diseñarse lariser mazarota parafor unamolde de fundición arena. El fundido es plate with dimensions 7.5 cm � 12.5 cm � 2.0 cm. Previous observations have unarectangular placa rectangular de acero con dimensiones de 7.5 cm × 12.5 cm × 2.0 cm. Observaciones A cylindrical cylindrical riser riser must must be be designed designed for for aa sand-casting sand-casting mold. mold. The The casting casting itself itself is is aa steel steel A A cylindrical riser must be designed for a sand-casting mold. The itself a steel for this casting ¼ casting 1.6 observations min. The cylinder indicated that the total solidification time (T anteriores indican quewith el tiempo total de solidificación (TTS )2.0 para este fundido es de 1.6 is min. La TS)cm rectangular plate dimensions 7.5 cm � 12.5 � cm. Previous have A cylindrical riser must be designed for a sand-casting mold. The casting itself is a steel rectangular plate with 7.5 cm cm � 2.0 cm. Previous observations have rectangular plate with adimensions dimensions 7.5 cm � � 12.5 12.5 cm � 2.0 cm. Previous observations have for the riser will have diameter-to-height ratio ¼ 1.0. Determine the dimensions of the mazarota cilíndrica tendrá una relación diámetro a altura de 1.0. Determine las dimensiones del )cm for�this this casting ¼ 1.6 1.6 min. min. The The cylinder cylinder indicated that thewith totaldimensions solidification time rectangular plate 7.5 time cm �(T 12.5 2.0 casting cm. Previous observations have TS) for ¼ indicated that total solidification indicated thatitsthe the total solidification time (T (TTS TS) for this casting ¼ 1.6 min. The cylinder ¼ 2.0 min. riser so that T vertedor de modo que T = 2.0 min. TS TS TS for the the riser will have a diameter-to-height ratio ¼ dimensions of the the for1.0. thisDetermine casting ¼ the 1.6 min. The cylinder indicated that the total solidification time (T TS) ¼ for for the riser riser will will have have aa diameter-to-height diameter-to-height ratio ratio ¼ 1.0. 1.0. Determine Determine the the dimensions dimensions of of the ¼ 2.0 min. riser so that its T for the riser will have a diameter-to-height ratio ¼ 1.0. Determine the dimensions of the TS Solución:  En primer lugar se determina la relación V/A para la placa. Su volumen V = 7.5 ×¼ Solution: First, determine the V/A ratio for the plate. Its volume V ¼ 7.5 � 12.5 � 2.0 ¼ riser its ¼ 2.0 2.0 min. min. riser so so that that its T TTS TS 3 2 3, ¼ 2.0 min. riser so that its its TTS 12.5 × 2.0 = 187.5 cm y el área de su superficie es A = 2(7.5 × 12.5 + 7.5 × 2.0 + 12.5 × 2.0) , and surface area A ¼ 2(7.5 � 12.5 þ 7.5 � 2.0 þ 12.5 � 2.0) ¼ 267.5 cm 187.5 cm TS Solution:2 First, First, determine determine the V/A V/A ratio ratio for for the the plate. plate. Its Its volume volume V V¼ ¼ 7.5 7.5 � � 12.5 12.5 � � 2.0 2.0 ¼ ¼. Solution: the 3. T 2 = 187.5 267.5 cm cm Dado TTS =we 1.6 min, determina la del molde, CEq. a¼ partir de la¼ 1.6 min, can determine (5.7), using Given that Solution: First, determine the ratio for the plate. Its volume V 12.5 � 2.0 m,� TS ¼ m from 33, and 22a. itsque surface area AV/A ¼ se 2(7.5 � 12.5 þconstante 7.5constant � 2.0 2.0 þC12.5 12.5 � 7.5 2.0) 267.5 cm Solution: First, determine the V/A ratio � forthe themold plate. Its volume V¼ ¼ 7.5 �¼ 12.5 � 2.0 ¼ its surface area A ¼ 2(7.5 12.5 þ 7.5 � þ � 2.0) 267.5 cm 187.5 cm 3, and 2. ecuación (5.7), con el uso de un valor de n = 2 en ella. value of n ¼ 2 in the equation. , and its surface area A ¼ 2(7.5 � 12.5 þ 7.5 � 2.0 þ 12.5 � 2.0) ¼ 267.5 cm 187.5 cm 3 2. ¼ 1.6 min, we we can determine the mold constant C12.5 from Eq. (5.7), (5.7), using Givencm that TTS ¼ , and its surface area A ¼ 2(7.5 � 12.5 þ 7.5 � 2.0 þ � 2.0) ¼ 267.5 cm . 187.5 m from 1.6 min, can determine the mold constant C Eq. using aa Given that T m ¼ 1.6 min, we can determine the mold constant C from Eq. (5.7), using a Given that TTS TS m TS m value of n ¼ 2 in the equation. ¼ 1.6 min, weTcan determine1:6 the mold constant Cm from Eq. (5.7), using a Givenof that TTS value n ¼ 2 in the equation. TS of n ¼ 2 in the ¼ ¼ ¼ 3:26 min=cm2  Cmequation. value value of n ¼ 2 in the equation. 2 2 ð187:5=267:5Þ ðV=AÞ T 1:6 TS 1:6 TS ¼ T ¼ ¼ 3:26 min=cm22 Cm ¼ TS 2 ¼ T 1:6 C 2 ¼ 3:26 min=cm 2 T TS 1:6 Cm 22 ¼ 3:26 min=cm2 TS 22 ¼ ð187:5=267:5Þ m ¼ ðV=AÞ 2 m ðV=AÞ 2 ¼ ð187:5=267:5Þ Next we must design so that itsdetotal solidification is 2.0 min, using the same 3:26time min=cm Cthe m ¼riser A continuación debe diseñarse la mazarota modo que 22su¼tiempo total de solidificación sea de 2 ð187:5=267:5Þ ðV=AÞ ð187:5=267:5Þ ðV=AÞ value of mold constant. The volume of the riser is given by 2.0Next min, we conmust el empleo del mismo valor de la constante del molde. El volumen de la mazarota Next we must design the riser so that its total solidification time is 2.0 min, using the same design the riser so that its total solidification time is 2.0 min, using the same Next must the riser so solidification está dadowe por value of mold constant. The volume oftotal thepriser riser is given given time by is 2 is Next we must design design the The riservolume so that that its its total solidification time is 2.0 2.0 min, min, using using the the same same value of mold constant. of the by D h value is given by V the ¼ riser value of of mold mold constant. constant. The The volume volume of of the riser is given by 4 222 h pD D p 2h  V ¼ p D 2 hD2 ¼ h V ¼ pþD 42p and the surface area is given by A ¼ V p Dh 4 V¼ 4 4 2 42p Since we are using a D/H ratio ¼ 1.0,þthen 2p D22D ¼ H. Substituting D for H in the and the surface area is given by A ¼ p Dh 2p4D D2 A and surface area is by y el áreathe deand la superficie está dada por D and the surface area is given given by A¼ ¼p p Dh Dh þ þ 2p 2 volume area formulas, we get 2p44 4D D ¼ H. Substituting D for H in the Since we are using a D/H ratio ¼ 1.0, then and the surface area is given by A ¼ p Dh þ Since we are D/H ratio 1.0, then ¼ H. Substituting for H in the Como se está unaaarazón Al sustituir D 4 D Since we usando are using using D/H D/H ratio=¼ ¼1.0, 1.0,entonces, then DD ¼= H.H. Substituting D por for H H en in las the volume and area formulas, we get get 3 Since we are using a D/H ratioV¼¼1.0, then D ¼ H. Substituting D for H in the volume and area formulas, we fórmulas del volumen y área, se obtiene =4 p D volume volume and and area area formulas, formulas, we we get get =4 V¼ ¼p pD D3333=4 V and V¼ ¼p pD D  V =4 V ¼ p D3 =4 and 2 2 2 A ¼ p D þ 2p D =4 ¼ 1:5p D and y and and and 2 2 2 22 þ 2p D22 =4 ¼ 1:5p D22 A ¼ pD D 2p Din ¼ 1:5p D 2 equation, we have A ¼ Using this Chvorinov’s 2 þratio 2=4 ¼p pD Thus the V/A ratio ¼ D/6. A  2 þ 2p D2 =4 ¼ 1:5p D2 D =4 ¼ 1:5p D A ¼ p D þ 2p Chvorinov’s Thus the V/A ratio ¼ D/6. Using this ratio in equation, we have have 2 Thus the V/A ratio ¼ D/6. Using this ratio in Chvorinov’s equation, we D 2 the V/A D/6. Using this ratio in Chvorinov’s equation, we have ¼de2:0 ¼ razón 3:26 ¼ 0:09056 D Así,Thus la razón D/6. ¼ Con elT TS uso esta en la ecuación de Chvorinov, se tiene Thus the V/A V/A=ratio ratio ¼ D/6. Using this ratio in Chvorinov’s equation, we have  6   D D2222 2 T TS2 ¼ ¼ 2:0 2:0 ¼ ¼ 3:26 3:26D2 ¼ ¼ 0:09056 0:09056 D222 T TS D 2:0=0:09056 cm2 D 6¼ 22:086 TS TD 2:0 ¼ 3:26 ¼ 0:09056 D TS ¼ 6 T ¼ 2:0 ¼ 3:26 ¼ 0:09056 D2 6 TS 2 2 6 D2 ¼ 2:0=0:09056 4:7 cm D 2:0=0:09056 ¼ 22:086 22:086 cm222 D D222 ¼ ¼ 2:0=0:09056 ¼ ¼ 22:086 cm cm D ¼ 2:0=0:09056 ¼ 22:086 cm2 D ¼ 4:7 cm ¼ cm & also. Dcm ¼ 4:7 4:7 cm Since H ¼ D, then H ¼ 4.7D  D ¼ 4:7 cm & Since H H ¼ D, D, then H H ¼ 4.7 4.7 cm also. also. & Since & Since H ¼ ¼ D, then then H ¼ ¼ 4.7 cm cm also. & Since H ¼ D, then H ¼ 4.7 cm also. Como H = D, entonces también H = 4.7 cm. ■& La mazarota representa un desperdicio de metal que debe separarse de la pieza fundida y volverse a fundir en operaciones posteriores. Es deseable que el volumen de metal en la mazarota sea mínimo. Como la forma de la mazarota normalmente se selecciona para maximizar la razón V/A, esto tiende a reducir el volumen de aquél tanto como sea posible. Obsérvese que el volumen de la mazarota del ejemplo es V = π(4.7)3/4 = 81.5 cm3, que es sólo 44% del volumen de la placa (fundido), aun cuando su tiempo total de solidificación es mayor en 25%. Las mazarotas se diseñan de formas distintas. El diseño que se muestra en la figura 5.1b) es una mazarota lateral. Se adjunta al lado del fundido por medio de un canal pequeño. Una maza-

106  CAPÍTULO 5  Fundamentos de la fundición de metales

rota superior es aquella que se conecta a la superficie superior del fundido. Las mazarotas son abiertas o ciegas. Una mazarota abierta está expuesta al exterior en la superficie superior del marco superior. Esto tiene la desventaja de permitir que escape más calor, lo que favorece la solidificación más rápida. Una mazarota ciega está cerrada por completo dentro del molde, como se ve en la figura 5.1b).

Referencias   [1] Amstead, B. H., Ostwald, P. F. y Begeman, M. L. Manufacturing Processes, John Wiley & Sons, Inc., Nueva York, 1987.  [2] Beeley, P. R. Foundry Technology, Butterworths-Heinemann, Oxford, Inglaterra, 2001.   [3] Black, J. y Kosher, R. DeGarmo’s Materials and Processes in Manufacturing, 10a. ed. John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey, 2008.   [4] Datsko, J. Material Properties and Manufacturing Processes, John Wiley & Sons, Inc., Nueva York, 1966.   [5] Edwards L. y Endean, M. Manufacturing with Materials, Open University, Milton Keynes y Butterworth Scientific Ltd., Londres, 1990.  [6] Flinn, R. A. Fundamentals of Metal Casting, American Foundrymen’s Society, Inc., Des Plaines, Illinois, 1987.   [7] Heine, R. W., Loper, Jr., C. R. y Rosenthal, C. Principles of Metal Casting, 2a. ed., McGraw-Hill Book Co., Nueva York, 1967.   [8] Kotzin, E. L. (ed.). Metalcasting and Molding Processes. American Foundrymen’s Society, Inc., Des Plaines, Illinois, 1981.

  [9] Lessiter, M. J. y K. Kirgin. “Trends in the Casting Industry”, Advanced Materials & Processes, enero de 2002, pp. 42-43. [10] Metals Handbook, vol. 15: Casting, ASM, International, Materials Park, Ohio, 2008. [11] Mikelonis, P. J. (ed.). Foundry Technology. American Society for Metals, Metals Park, Ohio, 1982. [12] Niebel, B. W., Draper, A. B., Wysk, R. A. Modern Manufacturing Process Engineering. McGraw-Hill Book Co. Nueva York, 1989. [13] Taylor, H. F., Flemings, M. C. y Wulff, J. Foundry Engineering, 2a. ed., American Foundrymen’s Society, Inc. Des Plaines, Illinois, 1987. [14] Wick, C., Blenedict, J. T. y Veilleux, R. F. Tool and Manufacturing Engineers Handbook, 4a. ed. Vol. II, Forming. Society of Manufacturing Engineers, Dearborn, Michigan, 1984.

Preguntas de repaso   5.1. Identifique algunas de las ventajas importantes de los procesos para obtener formas con fundición.   5.2. ¿Cuáles son algunas de las limitaciones y desventajas de la fundición?   5.3. ¿Cómo se llama por lo general a la fábrica que ejecuta operaciones de fundición?   5.4. ¿Cuál es la diferencia entre un molde abierto y uno cerrado?   5.5. Mencione los dos tipos básicos de molde que diferencian a los procesos de fundición.   5.6. ¿Cuál es el proceso de fundición de mayor importancia comercial?   5.7. ¿Cuál es la diferencia entre un modelo y un núcleo, en el moldeo en arena?

  5.8. ¿Qué significa el término sobrecalentamiento?   5.9. ¿Por qué debe evitarse el flujo turbulento de un metal fundido en el molde? 5.10. ¿Cuál es la ley de la continuidad según se aplica al flujo de metal derretido en la fundición? 5.11. ¿Qué significa calor de fusión en el contexto de la fundición? 5.12. ¿En qué difiere la solidificación de aleaciones de la solidificación de los metales puros? 5.13. ¿Qué es una aleación eutéctica? 5.14. ¿Cuál es la relación conocida como regla de Chvorinov en la fundición? 5.15. Identifique las tres fuentes de contracción en la fundición de un metal después del vertido.

Problemas  107

Problemas   5.1. El bebedero que conduce al vaciadero de cierto molde tiene una longitud de 175 mm. El área de la sección transversal en la base del bebedero es de 400 mm2. La cavidad del molde tiene un volumen de 0.001 m3. Determine a) la velocidad del metal fundido que fluye a través de la base del bebedero, b) el gasto volumétrico y c) el tiempo que se requiere para llenar la cavidad del molde.   5.2. Un molde tiene un bebedero con longitud de 6.0 pulg. El área de la sección transversal en el fondo del bebedero es de 0.5 pulg2. El bebedero lleva a un vaciadero horizontal que alimenta la cavidad del molde, cuyo volumen es de 75 pulg3. Determine a) la velocidad del metal fundido que fluye a través de la base del bebedero, b) el gasto volumétrico y c) el tiempo que se requiere para llenar la cavidad del molde.   5.3. El gasto del metal líquido en el bebedero de un molde es de 1 litro/s. El área de la sección transversal en la parte superior del bebedero es de 800 mm2, y su longitud es de 175 mm. ¿Cuál es el área que debe usarse en la base del bebedero para evitar la aspiración de metal fundido?  5.4. El gasto volumétrico de metal fundido hacia el bebedero desde el embudo es de 50 pulg3/s. En la parte superior, donde el embudo lleva al bebedero, el área de la sección transversal es de 1.0 pulg2. Determine cuál debe ser el área en la parte inferior del bebedero si su longitud es de 8.0 pulg. Se desea mantener un gasto constante arriba y abajo, a fin de evitar la aspiración del metal líquido.   5.5. Va a verterse metal fundido al embudo de un molde de arena, a una tasa estable de 1 000 cm3/s. El metal fundido sobrepasa al embudo y fluye hacia el bebedero. La sección transversal del bebedero es redonda, con diámetro superior de 3.4 cm. Si el bebedero mide 25 cm de largo, determine el diámetro apropiado en su base de modo que se mantenga el mismo gasto volumétrico.   5.6. Determine la regla de contracción que deben usar los modelistas para el hierro colado blanco. Exprese su respuesta en términos de fracciones decimales de pulgadas de elongación por pie de longitud, en comparación con una regla estándar de un pie. Utilice los valores de contracción que se dan en la tabla 5.1.   5.7. Determine la regla de contracción que usarán los modelistas para la fundición por troquel de zinc. Exprese su respuesta en términos de fracciones decimales de milímetros de elongación por 300 mm de longitud, en comparación con una regla estándar de 300 mm. Utilice los valores de contracción que se dan en la tabla 5.1.   5.8. Una placa plana se va a fundir en un molde abierto cuya base tiene una forma cuadrada de 200 mm por 200 mm. El molde tiene 40 mm de profundidad. Se vierte un total de 1 000 000 mm3 de aluminio fundido en el molde. Se sabe que la contracción volumétrica por solidificación es de 6.0%. En la tabla 5.1 se observa que la contracción lineal debida a la contracción térmica después de la solidificación es de 1.3%. Si la disponibilidad de metal fundido en el molde permite que la forma cuadrada de la placa fundida mantenga sus dimensio-

nes de 200 mm × 200 mm hasta que se completa la solidificación, determine las dimensiones finales de la placa.   5.9. En el fundido de acero en ciertas condiciones de molde, por experiencias anteriores se sabe que la constante de éste para la regla de Chvorinov es de 4.0 min/cm2. El fundido es una placa plana que mide 30 cm de longitud, 10 cm de ancho y 20 mm de espesor. Determine cuánto tiempo tomará que el molde se solidifique. 5.10. Resuelva para el tiempo de solidificación total del problema anterior, con el uso de un exponente de 1.9 pulg en lugar de 2.0 en la regla de Chvorinov. ¿Qué ajuste debe hacerse en las unidades de la constante del molde? 5.11. Una parte con forma de disco va a fundirse con aluminio. El diámetro del disco es de 500 mm, y su espesor de 20 mm. Si la constante del molde es de 2.0 s/mm2 en la regla de Chvorinov, ¿cuánto tiempo tomará que el fundido se solidifique? 5.12. En experimentos de fundición llevados a cabo con cierta aleación y tipo de molde de arena, tomó 155 s para que se solidificara un fundido en forma de cubo. El cubo medía 50 mm de lado. a) Determine el valor de la constante del molde en la regla de Chvorinov. b) Si se utilizan la misma aleación y tipo de molde, encuentre el tiempo total de solidificación para un fundido cilíndrico con diámetro de 30 mm y longitud de 50 mm. 5.13. Un fundido de acero tiene una forma cilíndrica de 4.0 pulg de diámetro y pesa 20 libras. A este fundido le toma 6.0 minutos solidificarse por completo. Otro fundido de forma cilíndrica con la misma razón de diámetro a longitud pesa 12 libras. Está hecho del mismo acero, y se emplearon las mismas condiciones de molde y contracción. Determine: a) la constante del molde en la regla de Chvorinov, b) las dimensiones y c) el tiempo total de solidificación del fundido más ligero. La densidad del acero es de 490 lb/pie3. 5.14. Van a compararse los tiempos totales de solidificación de tres formas de fundido: 1) esfera, 2) cilindro, en el que la razón longitud a diámetro es de 1.0 y 3) cubo. Para las tres formas el volumen es de 1 000 cm3 y va a emplearse la misma aleación para el fundido. a) Determine los tiempos relativos de solidificación para cada forma. b) Con base en los resultados del inciso a) diga ¿cuál elemento geométrico sería la mazarota mejor? c) Si la constante del molde es de 3.5 min/cm2 en la regla de Chvorinov, calcule el tiempo total de solidificación para cada fundido. 5.15. Va a usarse una mazarota cilíndrica para un molde de fundición con arena. Para un volumen dado de cilindro, determine la razón diámetro a longitud que maximiza el tiempo de solidificación. 5.16. Se va a diseñar una mazarota cilíndrica para un molde de fundición con arena. La longitud del cilindro va a ser 1.25 veces su diámetro. El fundido es una placa cuadrada con lado de 10 pulg y espesor de 0.75 pulg. Si el metal es hierro colado y la constante del molde es de 16.0 min/pulg2 en la regla de Chvorinov, determine las dimensiones de la mazarota de modo que le tome 30% más tiempo solidificarse.

6

Procesos de fundición de metales

CONTENIDO DEL CAPÍTULO 6.1

6.2

6.3

Fundición en arena 6.1.1 Modelos y corazones 6.1.2 Moldes y su fabricación 6.1.3 La operación de fundición Otros procesos de fundición con moldes desechables 6.2.1 Moldeo en cáscara 6.2.2 Procesos de poliestireno expandido 6.2.3 Fundición por revestimiento 6.2.4 Fundición con moldes de yeso y material cerámico Procesos de fundición con moldes permanentes 6.3.1 El proceso básico con moldes permanentes

6.4

6.5 6.6 6.7

6.3.2 Variaciones de la fundición con moldes permanentes 6.3.3 Fundición con dados 6.3.4 Fundición por dado impresor y fundición de metales semisólidos 6.3.5 Fundición centrífuga La práctica de la fundición 6.4.1 Hornos 6.4.2 Vaciado, limpieza y tratamiento térmico Calidad de la fundición Metales para fundición Consideraciones sobre el diseño del producto

Los procesos de fundición de metales se dividen en dos categorías, con base en el tipo de molde: 1) moldes desechables y 2) moldes permanentes. En las operaciones de fundición con un molde desechable, éste se sacrifica con objeto de retirar la pieza fundida. Debido a que para cada fundición se requiere un molde nuevo, es frecuente que las tasas de producción con procesos de moldes desechables estén limitadas por el tiempo que se requiere para hacer el molde, más que por el que se necesita para el producto fundido en sí. Sin embargo, para ciertas formas de las piezas, los moldes de arena pueden producirse y hacerse las fundiciones a tasas de 400 piezas por hora y aún más. En los procesos de fundición con moldes permanentes, se fabrica el molde con metal (u otro material duradero) y se emplea muchas veces para elaborar un gran número de fundiciones. En consecuencia, estos procesos tienen una ventaja natural en términos de tasas de producción. El estudio de los procesos de fundición está organizado en este capítulo como sigue: 1) fundición en arena, 2) otros procesos de fundición con moldes desechables y 3) procesos de fundición con moldes permanentes. El capítulo también incluye el equipo y prácticas de fundición que se emplean en las fundidoras. Otra sección se ocupa de la inspección y temas de calidad. En la sección final se presentan los lineamientos para el diseño de productos.

6.1  Fundición en arena La fundición en arena es el proceso más ampliamente usado en los procesos de fundición, ya que cuenta con la gran mayoría del tonelaje total de los productos obtenidos por fundición. Casi todas las aleaciones de fundición pueden generarse por el proceso con arena; de hecho, es uno de los pocos procesos que pueden usarse para metales y/o sus aleaciones con temperaturas de fusión

6.1  Fundición en arena   109

Fabricación del corazón (si fuera necesario)

Fabricación del modelo

Arena

Preparación de la arena

Fabricación del molde

Materia prima

Fundición

Vaciado

Solidificación y enfriamiento

Remoción del molde de arena

Limpieza e inspección

Fundición terminada

FIGURA 6.1  Secuencia de las etapas de la producción en la fundición con arena. Se incluye no sólo la operación de fundición sino también la fabricación del modelo y la fabricación del molde. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

elevadas, como los aceros, el níquel y sus aleaciones y el titanio y sus aleaciones. Su versatilidad permite la fundición de piezas cuyos tamaños varían de pequeñas a muy grandes y en cantidades de producción que van desde una a millones. La fundición en arena, también conocida como fundición en molde de arena, consiste en el vaciado del metal fundido en un molde de arena, y dejar que dicho metal solidifique, para posteriormente romper el molde y retirar el producto fundido. La fundición debe limpiarse e inspeccionarse, y en ocasiones se requiere de un tratamiento térmico a fin de mejorar sus propiedades metalúrgicas. La cavidad del molde de arena se forma por la compresión de arena alrededor de un modelo (un duplicado aproximado de la pieza a fundir), y luego se retira el modelo por medio de la separación del molde en sus dos mitades. El molde también contiene el sistema de compuerta o sistema de alimentación y el de mazarota. Además, si la fundición va a tener superficies interiores (por ejemplo, partes huecas o con orificios), debe incluirse un corazón en el molde. Como éste se sacrifica para retirar el producto fundido, debe hacerse un molde nuevo por cada pieza que se produce. De esta descripción breve, se considera que la fundición con arena no sólo es la operación para generar la pieza fundida en sí, sino también la fabricación del modelo y la manufactura del molde. La secuencia de producción se presenta en la figura 6.1.

6.1.1  Modelos y corazones La fundición con arena requiere un modelo, es decir, un “patrón” de tamaño real de la pieza, aunque más grande para que sean consideradas las tolerancias por contracción y maquinado en el fundido final. Los materiales que son utilizados para fabricar modelos incluyen la madera, los plásticos y los metales. La madera es un material común para hacer modelos debido a la facilidad para darle forma. Sus desventajas son que tiende a deformarse y la arena que se compacta alrededor de ella la puede rayar, lo que limita el número de veces que puede volver a utilizarse. Los modelos de metal son más caros, pero duran mucho más. Los plásticos representan una solución intermedia entre la madera y el metal. La selección del material apropiado para el modelo depende mucho de la cantidad total de fundiciones a producir. Como se ilustra en la figura 6.2, hay varios tipos de modelos. El más simple está hecho de una sola pieza y recibe el nombre de modelo sólido, tiene la misma forma que el de la fundición y su tamaño está ajustado para la contracción y el maquinado. Aunque es el modelo más fácil de fabricar, no es el más fácil de usar en la elaboración de moldes de arena. La determinación de la ubicación de la línea de partición de las dos mitades del molde de un modelo sólido puede ser un problema, y la incorporación del sistema de compuertas y la mazarota al molde queda a juicio y habilidad del trabajador que funde. En consecuencia, los modelos sólidos se limitan por lo general a cantidades muy bajas de producción.

110  CAPÍTULO 6  Procesos de fundición de metales

Modelo

Modelo de la mazarota Modelo del semimolde superior

Placa

Sistema de compuerta

a)

b)

c)

d)

Modelo del semimolde inferior

FIGURA 6.2  Tipos de modelos que se emplean en la fundición con moldes de arena: a) sólido, b) dividido, c) de placa de acoplamiento y d) modelo para semimoldes superior e inferior. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

Los modelos divididos consisten en dos piezas, que separan la pieza a lo largo de un plano que coincide con la línea de partición del molde. Los modelos divididos son apropiados para piezas con configuraciones geométricas complejas y cantidades moderadas de producción. La línea de partición del molde está predeterminada por las dos mitades del modelo, y no se deja al criterio del operador. Para cantidades de producción mayores se emplean modelos de placas ajustadas o de capucha y base. En los modelos de placas de acoplamiento, las dos piezas del modelo dividido están sujetas a los lados opuestos de una placa de madera o metal. Los orificios en la placa permiten que las secciones superior e inferior (cope and drag respectivamente en inglés y base) del molde se alineen en forma adecuada. Los modelos para semimoldes superior e inferior son similares a los de placa, excepto que las mitades que se separan están ajustadas a placas diferentes, de modo que las secciones del semimolde superior e inferior del molde se fabrican de manera independiente en lugar de usar las mismas herramientas para ambas. En el inciso d) de la figura se muestra el sistema de compuerta y mazarota de los modelos para semimolde superior e inferior. Los modelos definen la forma externa de la pieza por fundir. Si la fundición va a tener superficies internas se requiere un corazón. Un corazón es un modelo a tamaño real de las superficies interiores de la pieza. Se inserta en la cavidad del molde antes del vaciado, de modo que el metal fundido fluirá y se solidificará entre la cavidad del molde y el corazón, para formar las superficies externa e interna del fundido. Por lo general, el corazón está hecho de arena, la cual es compactada para que se tenga la forma deseada. Igual que el modelo, el tamaño real del corazón debe incluir tolerancias para la contracción y el maquinado. En función de la forma de la pieza, el corazón quizá requiera soportes para quedar en posición en la cavidad del molde durante el vaciado. Estos soportes, llamados sujetadores, están hechos de un metal que posee una temperatura de fusión más alta que la del metal que se va a fundir. Por ejemplo, para fabricar fundiciones de hierro se usarían sujetadores de acero. En el vaciado y solidificación, los sujetadores se integran en la fundición. En la figura 6.3 se ilustra un arreglo posible de un corazón en un molde con sujetadores. La parte del sujetador que sobresale de la fundición se corta posteriormente.

6.1.2  Moldes y su fabricación Las arenas de fundición son sílice (SiO2) o sílice mezclado con otros minerales. La arena debe tener buenas propiedades refractarias, es decir, capacidad de soportar temperaturas altas sin que se funda o sufra algún otro tipo de degradación. Otras características importantes de la arena son el tamaño del grano o granulometría, su distribución en la mezcla, y la forma de los granos individuales. Los granos pequeños dan un mejor acabado superficial de la pieza fundida, pero los de tamaño grande son más permeables (para permitir el escape de los gases durante el vaciado). Los

6.1  Fundición en arena   111

Corazón

Sujetador

Mazarota

Bebedero Línea de partición Molde

Cavidad a)

b)

c)

FIGURA 6.3  a) Corazón mantenido en su sitio dentro de la cavidad del molde por medio de sujetadores, b) diseño posible de los sujetadores y c) fundición con cavidad interna. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

moldes elaborados con granos irregulares tienden a ser más fuertes que los hechos con granos redondeados debido a su acoplamiento, aunque éste tiende a restringir la permeabilidad. Al hacer el molde, los granos de arena se mantienen unidos por una mezcla de agua y arcilla adhesiva. Una mezcla común (en volumen) es de 90% de arena, 3% de agua y 7% de arcilla. Para mantener a la arcilla en su sitio se emplean distintos agentes adhesivos, como resinas orgánicas (por ejemplo, resinas fenólicas) y aglutinantes inorgánicos (por ejemplo, silicato de sodio y fosfato). Además de la arena y el aglutinante, en ocasiones se agregan aditivos a la mezcla a fin de mejorar propiedades como la resistencia o la permeabilidad del molde. Para formar la cavidad del molde, el método tradicional consiste en compactar la arena alrededor del modelo para las partes superior e inferior, en un contenedor llamado caja de moldeo. El proceso de compactación se lleva a cabo con métodos diferentes. El más simple es golpear con la mano, lo que lleva a cabo un trabajador de la fundición. Además, se han inventado diversas máquinas para mecanizar el procedimiento de compactación. Estas máquinas operan con distintos mecanismos, entre ellos: 1) comprimir la arena alrededor del modelo por medio de presión neumática; 2) ejecutar una acción de golpeteo en la que la arena, contenida en la caja de moldeo con el modelo, se deja caer repetidas veces a fin de que se comprima en su sitio, y 3) realizar una acción de bombardeo en la que los granos de arena chocan a gran velocidad contra el modelo. Una alternativa a las cajas tradicionales para cada molde de arena es el moldeo sin caja de moldeo, que se refiere al uso de una caja de moldeo maestra, en un sistema mecanizado de producción de moldes. Cada molde de arena se produce por medio de la misma caja de moldeo maestra. Con este método se afirma que la producción de moldes alcanza los 600 por hora [8]. Para determinar la calidad del molde de arena se emplean diferentes indicadores [7]: 1) resistencia, capacidad del molde para conservar su forma y resistir la erosión ocasionada por el flujo de un metal fundido; depende de la forma del grano y de las cualidades adhesivas del aglutinante; 2) permeabilidad, capacidad del molde para permitir que pasen el aire y los gases calientes a través de los huecos de la arena, durante la operación de fundición; 3) estabilidad térmica, característica de la arena en la superficie de la cavidad del molde para resistir el agrietamiento y la deformación ante el contacto con el metal fundido; 4) colapsabilidad, facilidad de que el molde sea retirado y permita que la fundición se contraiga sin que ésta se agriete; también se refiere a la facilidad con que se quita la arena de la fundición durante su limpieza, y 5) reutilización, ¿es posible reutilizar la arena del molde ya desmoronado o roto para hacer otros moldes? En ocasiones, estas medidas son incompatibles: por ejemplo, un molde con mucha resistencia es menos colapsable. Con frecuencia, los moldes de arena se clasifican como de arena verde, arena seca o de superficie seca. Los moldes de arena verde están elaborados con una mezcla de arena, arcilla y agua, la palabra verde se refiere al hecho de que el molde contiene humedad al momento del va-

112  CAPÍTULO 6  Procesos de fundición de metales

ciado. Los moldes de arena verde tienen resistencia suficiente para la mayoría de aplicaciones, buenas colapsabilidad, permeabilidad y posibilidades de reúso, y son los menos caros de todos los moldes. Son el tipo de molde que más se emplea, pero no carecen de problemas. La humedad de la arena ocasiona defectos a ciertas fundiciones, lo que depende del metal y forma de la pieza. Un molde de arena seca está hecho con aglutinantes orgánicos en lugar de arcilla, y se cuece en un horno grande a temperaturas que van de 200 a 320 °C (400 a 600 °F) [8]. Dicho cocimiento da resistencia al molde y endurece la superficie de la cavidad. Los moldes de arena seca proporcionan mejor control dimensional del producto fundido, en comparación con los de arena verde. Sin embargo, es más caro hacer moldes de arena seca, y la tasa de producción disminuye debido al tiempo de secado. Las aplicaciones se limitan por lo general a fundiciones medianas y grandes con tasas de producción pequeñas o medianas. Con un molde de superficie (o película) seca se obtienen las ventajas de los de arena seca mediante el secado de la superficie de un molde de arena verde hasta una profundidad de 10 a 25 mm (0.4 a 1 pulg) de la cavidad del molde, por medio de sopletes, lámparas de calor u otros medios. Para dar resistencia a la superficie de la cavidad debe agregarse a la mezcla de arena materiales adhesivos especiales. Las clasificaciones anteriores de los moldes se refieren al uso de aglutinantes convencionales que consisten en arcilla y agua o aquellos que requieren curado con calor. Además de estas clasificaciones, se han desarrollado moldes químicamente adheridos que no se basan en ninguno de los ingredientes para aglutinar tradicionales. Algunos de los materiales aglutinantes que se emplean en estos sistemas “sin horno” incluyen resinas furánicas (que consisten en alcohol furfurílico, urea y formaldehído), fenoles y aceites alquidálicos. Los moldes sin cocimiento o sin horno se usan cada vez más debido a su buen control dimensional y aplicaciones de alta producción.

6.1.3  La operación de fundición Después de colocar en posición el corazón (si lo hay) y de que las dos mitades del molde se hacen embonar, se procede a hacer la fundición. Ésta consiste en el vaciado, solidificación y enfriamiento de la pieza fundida (véanse las secciones 5.2 y 5.3). El sistema de compuerta y mazarota del molde deben diseñarse para llevar metal líquido a la cavidad, y proporcionarle almacenamiento suficiente durante la contracción por solidificación. Debe permitirse que escapen el aire y los gases. Después de la solidificación y el enfriamiento, se rompe el molde de arena que contiene la fundición para retirarla. Luego, se limpia la pieza, lo que consiste en separar el sistema de compuerta y la mazarota, retirar la arena de la superficie e inspeccionar la fundición.

6.2  Otros procesos de fundición con moldes desechables No obstante que la fundición con arena es tan versátil, existen otros procesos de fundición creados para satisfacer necesidades especiales. Las diferencias entre dichos métodos estriban en la composición del material del molde o la manera en que se le fabrica, o bien en la forma en que se hace el modelo.

6.2.1  Moldeo en cáscara El moldeo en cáscara o concha es un proceso de fundición en el que el molde es una cáscara delgada (es común que mida 9 mm o 3/8 de pulg) hecho de arena y que se mantiene en cohesión por medio de un aglutinante de resina termofija. Se desarrolló en Alemania a principios de la década de 1940, y el proceso se describe e ilustra en la figura 6.4. El proceso de moldeo en cáscara tiene muchas ventajas. La superficie de la cavidad de un molde en cáscara es más tersa que la del molde convencional de arena verde, y esta característica permite un flujo más fácil durante el vaciado del metal líquido y un mejor acabado superficial de la fundición final. Es posible obtener acabados de 2.5 μm (100 μpulg). También se alcanza una

6.2  Otros procesos de fundición con moldes desechables   113

Modelo calentado

Caja de depósito

Arena con resina aglutinante

Cáscara

1)

2)

3) Cáscaras

Granalla metálica

Caja de moldeo

Prensa 4)

5)

6)

7)

FIGURA 6.4  Etapas del moldeo en cáscara: 1) se calienta un modelo de placa metálica o de semimolde superior e inferior metálica, y se coloca sobre una caja que contiene arena mezclada con alguna resina termofija; 2) se invierte la caja de modo que la arena y la resina caigan sobre el modelo caliente, lo que ocasiona que una capa de la mezcla se cure parcialmente sobre la superficie y forme una cáscara dura; 3) la caja se regresa a su posición original de modo que caigan las partículas sueltas que no resultaron curadas; 4) la cáscara de arena se calienta en un horno durante varios minutos, a fin de completar el curado; 5) el molde en cáscara se separa del modelo; 6) se ensamblan dos mitades del molde en cáscara, soportadas por arena o granalla en una caja en donde posteriormente se realiza el vaciado. La fundición final con el bebedero removido, como se aprecia en 7). (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

buena precisión dimensional, con tolerancias de ±0.25 mm (±0.010 pulg) que son posibles en piezas de tamaño pequeño a medio. El buen acabado y precisión frecuentemente eliminan la necesidad de un maquinado adicional. La colapsabilidad del molde por lo general es suficiente para evitar el desgarramiento y agrietamiento de la fundición. Las desventajas del moldeo en cáscara incluyen un modelo de metal más caro que el correspondiente al moldeo con arena verde. Esto hace que el moldeo en cáscara sea difícil de justificar para la producción de piezas en baja cantidad, pero puede mecanizarse para la producción en masa y es muy económico para grandes cantidades. Parece apropiado en especial para fundiciones de acero de menos de 20 libras. Algunos ejemplos de piezas fabricadas con el empleo de moldeo en cáscara incluyen engranes, cuerpos de válvulas, bujes y árboles de levas.

6.2.2  Procesos de poliestireno expandido El proceso de fundición con poliestireno expandido usa un molde de arena compactada alrededor de un modelo de espuma de poliestireno que se vaporiza cuando el metal fundido se vierte en el molde. El proceso y sus variaciones se conocen también con otros nombres, como proceso de espuma perdida, proceso de modelo perdido, proceso de evaporación de espuma y proceso de molde lleno (este último es una marca registrada). El modelo de poliestireno incluye el bebedero, las mazarotas y el sistema de compuerta, y también puede incorporar corazones internos (de ser necesarios), lo que elimina la necesidad de contar con un corazón por separado en el molde. Asimismo, dado que el modelo de espuma en sí se convierte en la cavidad en el molde, se puede ignorar otras consideraciones sobre las líneas de partición y ángulos de salida. El molde no tiene

114  CAPÍTULO 6  Procesos de fundición de metales

Arena compactada alrededor del modelo Copa de vaciado y bebedero de espuma

Caja del moldeo

Modelo de espuma

El metal fundido desplaza al modelo de espuma y lo vaporiza

Rocío de un compuesto refractario 1)

2)

3)

FIGURA 6.5  Proceso de fundición con poliestireno expandido: 1) el modelo de poliestireno se recubre con un compuesto refractario; 2) el modelo de espuma se coloca en la caja del molde, y alrededor de él se compacta arena, y 3) se vierte metal fundido en la porción del modelo que constituye la copa de vaciado y el bebedero de la fundición. Conforme el metal ingresa al molde, la espuma de poliestireno se vaporiza al contacto con el líquido, lo que resulta en el llenado de la cavidad del molde. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

que estar abierto en las secciones superior e inferior (cope and drag, en inglés). En la figura 6.5 se ilustra y describe la secuencia de este proceso de fundición. Se usan diferentes métodos para hacer el modelo, en función de la cantidad de fundiciones por producir. Para fundiciones de una sola clase o tipo, la espuma se corta en forma manual en tiras grandes y se ensambla para formar el modelo. Para corridas grandes de producción se prepara una operación de moldeo automatizada para moldear los modelos antes de fabricar los moldes para la fundición. Normalmente, éste se recubre con un compuesto refractario que proporciona una superficie más tersa sobre él y para mejorar su resistencia a la alta temperatura. Por lo general, los moldes de arena incluyen agentes de unión. Sin embargo, en ciertos procesos de este grupo se emplea arena seca, lo que ayuda al recubrimiento y reúso. Una ventaja significativa de este proceso es que el modelo no necesita retirarse del molde. Esto simplifica y agiliza la fabricación del molde. En un molde convencional de arena verde, se requiere de dos mitades con líneas de partición apropiadas, se debe proveer de tolerancias en los ángulos de salida del diseño del molde, los corazones deben insertarse y debe agregarse el sistema de compuerta y mazarota. Con el proceso de poliestireno expandido, estas etapas se incluyen en el modelo mismo. Se necesita un modelo nuevo para cada fundición, por lo que la decisión económica de utilizar la fundición de poliestireno expandido depende en gran medida del costo de producción de los modelos. El proceso se ha aplicado para producir en masa fundiciones para motores de automóviles, donde se instalan sistemas automatizados para moldear los modelos de espuma.

6.2.3  Fundición por revestimiento En la fundición por revestimiento, se elabora un modelo de cera y se recubre con un material refractario para formar el molde, después de lo cual se derrite la cera antes de vaciar el metal fundido. El término revestimiento proviene de una de las definiciones menos familiares de la palabra recubrir, que es “cubrir por completo”, esto se refiere al recubrimiento del material refractario alrededor del modelo de cera. Es un proceso de fundición de precisión, debido a que es capaz de generar fundiciones de gran precisión y detalles intrincados. El proceso se remonta al antiguo Egipto y también se le conoce como proceso a la cera perdida, debido a que el modelo de ese material se pierde en el molde antes de la fundición. En la figura 6.6 se describen las etapas de la fundición por revestimiento. Como el modelo de cera se derrite después de hacer el molde refractario, debe elaborarse un modelo separado por cada fundición. La producción de modelos por lo general se lleva a cabo por medio de una operación de moldeo, vaciando o inyectando la cera caliente en un dado (matriz) maestro diseñado

6.2  Otros procesos de fundición con moldes desechables   115

Bebedero de cera

Modelo de cera

1)

2)

3)

4)

Calor

Cera 5)

6)

7)

FIGURA 6.6  Etapas de la fundición por revestimiento: 1) se producen los modelos de cera; 2) se unen varios modelos a un bebedero para formar un árbol con ellos; 3) el árbol de modelos se recubre con una capa delgada de material refractario; 4) se forma el molde con el árbol recubierto con material refractario suficiente para volverlo rígido; 5) se mantiene el molde en posición invertida y se calienta para derretir la cera y permitir que salga de la cavidad; 6) el molde se precalienta a temperatura elevada, lo que garantiza que todos los contaminantes del molde se eliminen; eso también permite que el metal líquido fluya con mayor facilidad dentro de la cavidad detallada; se vacía el metal fundido; se solidifica, y 7) se rompe el molde del metal fundido terminado. Se separan las partes del bebedero. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.).

con tolerancias apropiadas para permitir la contracción tanto de la cera como de la fundición metálica subsecuente. En los casos en que la forma de la pieza es complicada, pueden unirse varias piezas separadas de cera para formar el modelo. En operaciones de producción grande, se unen varios modelos a un bebedero, también hecho de cera, para formar un árbol de modelos; ésta es la configuración geométrica que se fundirá con el metal. El recubrimiento con material refractario (etapa 3) por lo general se lleva a cabo con la inmersión del árbol de modelos en un lodo muy fino compuesto de sílice granular u otro refractario (casi en polvo) mezclado con la pasta para que se incorpore a la forma del molde. El grano fino del material refractario proporciona una superficie tersa y captura los detalles intrincados o caprichosos del modelo de cera. El molde final (etapa 4) se lleva a cabo por medio de sumergir el árbol repetidas veces en el lodo refractario o a través de compactar con suavidad el material refractario alrededor del árbol en un contenedor. Se deja secar al molde alrededor de ocho horas para endurecer el aglutinante. Las ventajas de la fundición por revestimiento incluyen las siguientes: 1) es posible fundir piezas de gran complejidad y detalle; 2) se puede tener mucho control dimensional, tolerancias de ±0.075 mm (±0.003 pulg); 3) se tiene un buen acabado superficial; 4) por lo general se puede recuperar la cera para volver a emplearla, y 5) normalmente no se requiere maquinado adicional; éste es un proceso de forma neta. Debido a que en esta operación de fundición están involucradas muchas etapas, es un proceso relativamente caro. Lo normal es que las fundiciones por revesti-

116  CAPÍTULO 6  Procesos de fundición de metales

miento sean pequeñas, aunque se han llegado a fundir con éxito piezas con formas complejas que pesan hasta 34 kg (75 lb). Todos los tipos de metales, incluyendo aceros, aceros inoxidables y otras aleaciones resistentes a temperatura alta, son susceptibles de usarse en la fundición por revestimiento. Algunos ejemplos de piezas incluyen elementos complejos de maquinaria, álabes y otros componentes de motores con turbina, joyería y piezas dentales. En la figura 6.7 se ilustra una pieza que muestra las características intrincadas que son posibles con la fundición por revestimiento.

6.2.4 Fundición con moldes de yeso y material cerámico La fundición con molde de yeso es similar a la de arena, excepto que el molde está hecho de yeso de París (CaSO4–2H2O), en vez de arena. Con el yeso se mezclan aditivos como el talco y polvo de sílice para controlar la contracción y el tiempo de preparación, reducir el agrietamiento y aumentar la resistencia. Para hacer el molde, se vierte la mezcla de yeso y agua en un modelo de plástico o metal en un recipiente y se deja reposar. Por lo general los modelos de madera son insatisfactorios debido al contacto largo con el agua del yeso. La consistencia del fluido permite que la mezcla de yeso fluya con facilidad alrededor del modelo y capture sus detalles y acabado superficial. Así, el producto que se funde en moldes de yeso es notable por tener dichos atributos. Una de las desventajas del proceso es el curado del molde de yeso, al menos en producción elevada. El molde debe permanecer en reposo alrededor de 20 minutos antes de que el modelo sea desmontado. Después, el molde se introduce en un horno durante varias horas a fin de eliminar la humedad. Aun con el horneo, no todo el contenido de humedad llega a eliminarse. El dilema que enfrentan los fundidores es que la resistencia del molde se pierde cuando la pasta es deshidratada en exceso, por lo que el contenido de humedad ocasiona defectos en la fundición del producto. Debe llegarse a un equilibrio entre estas alternativas que son indeseables. Otra desventaja con el molde de yeso es que no es permeable, lo que limita el escape de los gases de la cavidad del molde. Este problema se puede resolver de distintos modos: 1) con la evacuación del aire de la cavidad del molde antes del vaciado; 2) manteniendo al aire la pasta de yeso antes de fabricar el molde para que la pasta dura que resulte contenga huecos dispersados finamente, y 3) con el uso de una composición especial del molde y el tratamiento conocido como proceso de Antioch. Éste consiste en usar 50% de arena mezclada con el yeso, calentar el molde en un autoclave (horno que utiliza vapor supercaliente y a presión), y después se deja secar. El molde que resulta tiene una permeabilidad mucho mayor que la de uno de yeso convencional. Los moldes de yeso no resisten temperaturas tan altas como las de los moldes de arena. Por tanto, están limitados a la fundición de aleaciones con puntos de fusión bajos, como las de aluminio, magnesio y algunas con base de cobre. Las aplicaciones incluyen moldes de metal para moldear caucho y plástico, impulsores de turbinas y bombas, y otras piezas de forma relativamente intrincada. Los tamaños de los fundidos van de alrededor de 20 g (menos de 1 onza) a más de 100 kg (220 lb). Las más comunes son las piezas que pesan 10 kg (22 lb), aproximadamente. Las ventajas de la fundición con moldes de yeso para estas aplicaciones son el buen acabado superficial, la precisión dimensional y la capacidad de fabricar fundiciones de sección transversal delgada. La fundición con moldes cerámicos es similar a la fundición con moldes de yeso, excepto que el molde se elabora con materiales cerámicos refractarios que resisten temperaturas más elevadas que los de yeso. Así, los moldes cerámicos se emplean para fundir aceros, hierro y otras aleaciones que resisten altas temperaturas. Sus aplicaciones (moldes y piezas relativamente intrincadas) son similares a las de las fundiciones hechas en moldes de yeso, excepto para la fundición de metales. Sus ventajas (buenas precisión y acabado) también son parecidas.

FIGURA 6.7  Estator de una pieza para un compresor, con 108 aletas aerodinámicas separadas, elaborado por medio de fundición por revestimiento. Foto cortesía de AlcoaHowmet. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

6.3  Procesos de fundición con moldes permanentes   117

6.3  Procesos de fundición con moldes permanentes La desventaja económica de cualquiera de los procesos con molde desechable es que se requiere uno nuevo para cada fundición. En la fundición con molde permanente, el molde se reutiliza muchas veces. En esta sección se trata la fundición con moldes permanentes como el proceso básico del grupo de procesos de fundición que emplean moldes de metal susceptibles de volver a emplearse, otros procesos del grupo son la fundición en dados o matrices y la fundición centrífuga.

6.3.1  El proceso básico con moldes permanentes La fundición con moldes permanentes usa un molde de metal construido con dos secciones diseñadas para tener facilidad de apertura y cierre. Es común que estos moldes estén hechos de acero o hierro fundido. La cavidad, con el sistema de compuerta incluido, se maquina en las dos mitades para proporcionar dimensiones exactas y buen acabado superficial. Los metales que son comunes de fundir en moldes permanentes son el aluminio, el magnesio, las aleaciones base cobre y el hierro colado. Sin embargo, el hierro colado requiere de una temperatura de vaciado elevada, de 1 250 a 1 500 °C (2 300 a 2 700 °F), lo cual tiene un gran efecto en la vida del molde. Las temperaturas de vaciado muy altas del acero hacen que los moldes permanentes no sean apropiados para esta aleación, a menos que el molde sea fabricado con material refractario. Es posible usar corazones en los moldes permanentes a fin de formar superficies internas en el producto fundido. Los corazones están hechos de metal, pero su forma debe permitir la remoción del material fundido o bien deben colapsarse en forma mecánica para lograr ese cometido. Si el corazón de metal es difícil o imposible de extraer, hay que usar moldes de arena, caso en el que es frecuente referirse al proceso como fundición con molde semipermanente. En la figura 6.8 se describe el proceso básico de fundición con moldes permanentes. En la preparación del fundido, primero se precalienta el molde y se rocían uno o más recubrimientos sobre la cavidad. El precalentamiento facilita que el metal fluya a través del sistema de paso y hacia la cavidad. Los recubrimientos ayudan a disipar el calor y lubrican las superficies del molde para que sea más fácil la separación del producto fundido. Después del vaciado, tan pronto como se solidifica el metal, se abre el molde y se retira la fundición. A diferencia de los moldes desechables, los permanentes no se colapsan, por lo que deben abrirse antes de que ocurra una contracción apreciable por el enfriamiento a fin de impedir la formación de grietas en el material fundido. Las ventajas de la fundición con moldes permanentes incluyen buen acabado superficial y un control dimensional cerrado, como ya se dijo. Además, la solidificación más rápida ocasionada por el molde metálico da como resultado una estructura de grano más fina, por lo que se producen fundiciones más resistentes. El proceso se limita por lo general a metales con puntos de fusión bajos. Otras limitaciones son que las formas de las piezas son más sencillas, en comparación con las de la fundición con arena (debido a la necesidad de abrir el molde) y lo costoso del molde. Debido a que el costo del molde es elevado, el proceso se adapta mejor a una producción elevada y se puede automatizar en consecuencia. Los productos comunes incluyen pistones de automóviles, carcasas de bombas, y ciertas fundiciones para aeronaves y misiles.

6.3.2  Variaciones de la fundición con moldes permanentes Varios procesos de fundición son muy parecidos al método básico con molde permanente. Éstos incluyen la fundición con molde permanente hueca, a baja presión y al vacío. Fundición hueca  La fundición hueca es un proceso con molde permanente en el que una fundición hueca es formada por medio de la inversión del molde después de la solidificación parcial de la superficie a fin de drenar el metal líquido del centro. La solidificación comienza en las paredes del molde porque están relativamente frías, y con el paso del tiempo avanza hacia la mitad de la fundición. El espesor de la cáscara se controla por el tiempo que transcurre antes del drena-

118  CAPÍTULO 6  Procesos de fundición de metales

Sección móvil del molde

Sección fija del molde

Cilindro hidráulico para abrir y cerrar el molde

Cavidad

Boquilla de rocío

Corazón

F

2)

1)

v F

3)

4)

5)

FIGURA 6.8  Etapas del fundido con moldes permanentes: 1) se precalienta y recubre el molde; 2) se insertan los corazones (si los hay) y se cierra el molde; 3) se vierte metal fundido en el molde, y 4) se abre el molde. La pieza terminada se presenta en 5). (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

do. La fundición hueca se emplea para hacer estatuas, pedestales de lámparas y juguetes, con metales de punto de fusión bajo como zinc y estaño. En esos artículos es importante la apariencia exterior, pero la resistencia y la forma interior de la fundición son consideraciones menores. Fundición a baja presión  En el proceso básico de molde permanente y en la fundición hueca, el flujo del metal hacia la cavidad del molde es ocasionado por la gravedad. En la fundición a baja presión el metal líquido es forzado a pasar a la cavidad a baja presión, aproximadamente 0.1 MPa (15 lb/pulg2), desde abajo, de modo que el flujo se dirija hacia la parte superior, como se ilustra en la figura 6.9. La ventaja de este enfoque sobre el vaciado tradicional es que al molde se introduce metal fundido limpio desde el centro de la cuchara, en vez de metal que ya se haya expuesto al aire. De este modo se minimizan los defectos de porosidad por gas y oxidación, y así se mejoran las propiedades mecánicas. Fundición al vacío con molde permanente  Este proceso es una variación de la fundición a

baja presión, en la cual se emplea un vacío para impulsar el metal fundido hacia la cavidad del molde. La configuración general del proceso de fundición al vacío con molde permanente es similar a la de la operación de fundición a baja presión. La diferencia está en que se utiliza la presión reducida del aire desde el vacío del molde para llevar metal líquido hacia la cavidad, en lugar de forzarlo con presión positiva de aire desde abajo. Hay varios beneficios en la técnica de vacío, relacionados con la fundición a baja presión: se reducen la porosidad por aire y los defectos relacionados con ésta, y se da mayor resistencia al producto fundido.

6.3  Procesos de fundición con moldes permanentes   119

FIGURA 6.9  Fundición a baja presión. El diagrama muestra el uso de la presión baja del aire para forzar a que el metal fundido en la cuchara (recipiente) pase a la cavidad del molde. La presión se mantiene hasta que la fundición se ha solidificado. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

Sección superior retráctil del molde

Fundición Tubo refractario

Sección inferior del molde

Metal fundido

Cámara de aire

Cuchara

Presión deeaire

6.3.3  Fundición con dados La fundición con dados es un proceso de fundición con molde permanente en el que se inyecta a presión elevada el metal fundido a la cavidad del molde. Las presiones comunes son de 7 a 350 MPa (1 000 a 50 000 lb/pulg2). La presión se mantiene durante la solidificación, después de la cual el molde se abre y se retira la pieza. Los moldes para esta operación de fundido reciben el nombre de dados o matrices, de donde deriva su nombre el proceso. La característica más notable que diferencia a este proceso de los demás de la categoría de moldes permanentes, es el uso de presión elevada para forzar el paso del metal a la cavidad de los dados. Las operaciones de fundición con dados se llevan a cabo en máquinas especiales, las cuales están diseñadas para que las dos mitades del molde embonen y cierren con precisión, y las mantengan cerradas mientras que el metal líquido es forzado a pasar a la cavidad. En la figura 6.10 se aprecia la configuración general. Hay dos tipos principales de máquinas para fundición con dados: 1) cámara caliente y 2) cámara fría, que se diferencian en la manera en que el metal fundido es inyectado a la cavidad. En las máquinas de cámara caliente el metal se funde en un contenedor incorporado a la máquina, y se emplea un pistón para inyectar metal líquido a alta presión hacia los dados o la matriz. Las presiones de inyección comunes son de 7 a 35 MPa (1 000 a 5 000 lb/pulg2). El ciclo

Placa móvil Mecanismo de cambio

Barras de guía (4)

Cilindro de cierre del dado

Mitad móvil del dado Mitad fija del dado Placa frontal Cámara de disparo Orificio de vaciado Cilindro de disparo

v

FIGURA 6.10  Configuración general de una máquina de fundición con dados (cámara fría). (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

120  CAPÍTULO 6  Procesos de fundición de metales

Mitad móvil del dado

Mitad fija del dado Boquilla Cuello de ganso

Pasadores eyectores

v, F

Pistón

Cavidad Crisol Cámara

2)

1) v

v

3)

4)

FIGURA 6.11  Ciclo de la fundición con cámara caliente: 1) con dado cerrado y pistón fuera, el metal fundido fluye a la cámara; 2) el pistón fuerza al metal a fluir hacia la cámara para que pase al dado, manteniendo la presión durante el enfriamiento y solidificación, y 3) se retira el pistón, se abre el dado y se expulsa la pieza solidificada. En 4) se ilustra el elemento terminado. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

de fundición se resume en la figura 6.11. No es extraño que las tasas de producción sean de hasta 500 piezas por hora. La fundición con dados en cámara caliente plantea un reto especial al sistema de inyección debido a que gran parte de éste se encuentra sumergido en el metal fundido. Por tanto, el proceso está limitado a aplicaciones con metales de punto bajo de fusión que no impongan ataque químico al pistón y otros componentes mecánicos. Los metales incluyen zinc, estaño, plomo y en ocasiones magnesio. En las máquinas de fundición con dados de cámara fría se vacía el metal líquido hacia una cámara que no está caliente, desde un contenedor externo, y se emplea un pistón para inyectarlo a alta presión hacia la cavidad de los dados (matriz). Las presiones de inyección comunes que se usan en estas máquinas son de 14 a 140 MPa (2 000 a 20 000 lb/pulg2). En la figura 6.12 se explica el ciclo de producción. En comparación con las máquinas de cámara caliente, las velocidades en los ciclos de producción por lo general no son tan rápidas debido a la necesidad de una cuchara de colada para vaciar el metal líquido desde una fuente externa hacia la cámara. No obstante, este proceso de fundición es una operación de producción elevada. Las máquinas de cámara fría se usan por lo común para fundir aleaciones de aluminio, latón y magnesio. Aleaciones con punto de fusión bajo (zinc, estaño, plomo) también pueden fundirse en máquinas de cámara fría, pero por lo general las ventajas del proceso con cámara caliente favorecen su uso sobre estos metales. Generalmente, los moldes que se usan en operaciones de fundición con dados están hechos de acero grado herramienta, acero para moldes o acero martensítico envejecible (maraging, en inglés). También se emplean tungsteno y molibdeno con calidades refractarias buenas, en espe-

6.3  Procesos de fundición con moldes permanentes   121

Mitad móvil del dado

Mitad fija del dado Cucharón

Pasadores eyectores

F

Cavidad Ariete Cámara de disparo

1)

2)

v v

3) FIGURA 6.12  Ciclo de fundición con cámara fría: 1) con dado cerrado y ariete retirado, el metal fundido se vierte a la cámara; 2) el ariete fuerza al metal a fluir en el dado, manteniendo la presión durante el enfriamiento y solidificación, y 3) se retira el ariete, el dado se abre y la pieza es expulsada. (El sistema de compuerta está simplificado.) (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

cial para fundir acero con dados y hierro fundido. Los dados pueden ser de una cavidad o varias (en las figuras 6.11 y 6.12 se ilustran dados o matrices de una sola cavidad). Los pasadores eyectores se requieren para retirar la pieza del dado cuando éste se abre, como se observa en los diagramas. Estos pasadores empujan la pieza hacia afuera de la superficie del molde de modo que pueda retirarse. También deben rociarse lubricantes en las cavidades, a fin de impedir que estén pegajosas. Debido a que los materiales del dado no tienen porosidad natural, y que el metal fundido fluye con rapidez hacia éste durante la inyección, deben hacerse orificios de ventilación y vías de paso en los dados, en la línea de partición, para evacuar el aire y gases de la cavidad. Las ventilaciones son muy pequeñas; en realidad se llenan con metal durante la inyección. Este metal debe recortarse más tarde de la pieza. Asimismo, en la fundición con dados es común la formación de una rebaba, en la que entra metal líquido a presión alta al espacio pequeño entre las mitades de los dados, en la línea de separación, o en los claros alrededor de los corazones y los pasadores eyectores. Esta rebaba debe recortarse de la fundición, junto con el bebedero y el sistema de compuerta. Las ventajas de la fundición con dados incluyen las siguientes: 1) son posibles tasas elevadas de producción; 2) es económica para cantidades grandes de producción; 3) se puede tener tolerancias estrechas, del orden de ±0.076 mm (±0.003 pulg) para piezas pequeñas; 4) buen acabado superficial; 5) son posibles las secciones delgadas, por debajo de 0.5 mm (0.020 pulg), y 6) el enfriamiento rápido proporciona un tamaño de grano pequeño y buena resistencia a la fundición. La limitación de este proceso, además de los metales por fundir, es la restricción de la forma. La configuración geométrica de la pieza debe permitir su retiro de la cavidad del dado.

6.3.4  Fundición por dado impresor y fundición de metales semisólidos Éstos son dos procesos que suelen asociarse con la fundición con dado. La fundición por dado impresor es una combinación de fundición y forja (véase la sección 13.2) en la que un metal fundido es vaciado en un dado inferior precalentado, y el dado superior se cierra para crear la

122  CAPÍTULO 6  Procesos de fundición de metales

cavidad del molde después de que comienza la solidificación. Esto difiere del proceso de fundición habitual de molde permanente en el que las mitades del dado o matriz se cierran antes del vaciado o inyección. Debido a la naturaleza híbrida del proceso, también se conoce como forjado de metal líquido. La presión aplicada al dado superior en la fundición por dado impresor hace que el metal llene completamente la cavidad, lo que resulta en un buen acabado superficial y una baja contracción. Las presiones requeridas son significativamente menores que en el forjado de una masa de metal sólido y el dado puede imprimir un detallado mucho más fino a la superficie que en la forja. La fundición por dado impresor puede utilizarse tanto para aleaciones ferrosas como para no ferrosas, pero las aleaciones de aluminio y magnesio son las más comunes, debido a que sus temperaturas de fusión son más bajas. Una aplicación común son las piezas para automóvil. La fundición de metal semisólido forma parte de la familia de procesos de forma neta o completa y casi neta, que se realizan sobre aleaciones de metal a temperaturas entre el liquidus y el solidus (véase la sección 5.3.1). Así, la aleación consiste en una mezcla de metales sólidos y fundidos durante la fundición, como un lodo, el cual se encuentra en estado blando. Con el fin de que la mezcla fluya correctamente, ésta debe consistir en glóbulos de metal sólido dentro de un líquido y no en las formas sólidas dendríticas que se forman comúnmente durante la solidificación de un metal fundido. Lo anterior se logra mediante la agitación forzada del lodo para evitar que se formen dendritas y fomentar la formación de esferas, lo que a su vez reduce la viscosidad del metal de trabajo. Las ventajas de la fundición de metales semisólidos incluyen lo siguiente [15]: 1) geometrías complejas de las piezas, 2) paredes finas de las piezas, 3) tolerancias cerradas, 4) baja o nula porosidad, lo que resulta en una alta resistencia del producto fundido. Existen varias formas de fundición de metales semisólidos. Cuando se aplica al aluminio, se utilizan los términos tixofundición y reofundición, y el equipo de producción es similar a una máquina de fundición en dado. Cuando se aplica al magnesio, se emplea el término tixomoldeo, y el equipo es similar a una máquina de moldeo por inyección (véase la sección 8.6.1).

6.3.5  Fundición centrífuga La fundición centrífuga se refiere a varios métodos de fundición en los que el molde gira a gran velocidad de modo que la fuerza centrífuga distribuye el metal fundido a las regiones externas de la cavidad del dado. Aquí se describe el proceso usado para el fundido de piezas tubulares, llamado fundición centrífuga real. En la fundición centrífuga real se vierte metal fundido a un molde rotatorio para producir una pieza tubular. Algunos ejemplos de las piezas que se fabrican con este proceso incluyen tuberías, tubos, boquillas y anillos. En la figura 6.13 se ilustra un arreglo posible. Se genera el vaciado del metal fundido por un extremo del molde horizontal rotatorio. En algunas operaciones, la rotación del molde comienza después del vaciado y no antes. La gran velocidad de rotación ocasiona que las fuerzas centrífugas hagan que el metal adopte la forma de la cavidad del molde. Así, la forma exterior de la fundición puede ser de geometría redonda, octagonal, hexagonal, etc. Sin embargo, la forma interior de la fundición es (en teoría) perfectamente circular, debido a las fuerzas que actúan con simetría radial.

Molde

Rodillo libre

Molde Cavidad de vaciado

Rodillo de impulso Vista frontal

Vista lateral

FIGURA 6.13  Arreglo para la fundición centrífuga real. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

tubular part. Examples of parts made by this process include pipes, tubes, bushings, and rings. One possible setup is illustrated in Figure 6.13. Molten metal is poured into a horizontal rotating mold at one end. In some operations, mold rotation commences after pouring has occurred rather than beforehand. The high-speed rotation results in centrifugal forces that cause the metal to take the shape of the mold cavity. Thus, the outside shape of the casting can be round, octagonal, hexagonal, and so on. However, the inside 6.3  perfectly Procesos de fundición conto moldes permanentes   123 shape of the casting is (theoretically) round, due the radially symmetric forces at work. Orientation of the axis of mold rotation can be either horizontal or vertical, the La orientación del eje de rotación del molde es horizontal o vertical, y el más común es el former being more common. Let us consider how fast the mold must rotate in horizontal primero. A continuación se estudiará qué tan rápido debe girar el molde en una fundición centrícentrifugal casting for the process to work successfully. Centrifugal force is defined by fuga horizontal, a fin de que el proceso tenga éxito. La fuerza centrífuga está definida por la sithis physics guiente ecuaciónequation: de física: C06 C06 C06

08/08/2013 08/08/2013

9:28:51 9:28:51

08/08/2013

9:28:51

Page 129 Page 129 Page 129

mv2 R

(6.1) (6.1)

where F fuerza, ¼ force, (lb); m masa, ¼ mass, kg (lbm); ¼ velocity, (ft/sec); and R¼ inside donde F= NN (lb); m= kg (lbm); v = vvelocidad, m/sm/s (pie/s), yR= radio interior radius of the mold, m (ft). The force of gravity is its weight W ¼ mg, where W is given del molde, m (pie). La fuerza de gravedad es su peso, W = mg, donde W se expresa en kg (lb), yin 2 (32.29.8 kgaceleración (lb), and gde ¼ la acceleration ofm/s gravity, m/s22).(32.2 ft/sec2factor ). TheG, so-called g= gravedad, 9.8 pies/s El llamado GF, es laG-factor relación GF de is the ratio of centrifugal force divided by weight: la fuerza centrífuga a peso:

Example 6.1 Example 6.1 Rotation Speed in Ejemplo 6.1 Rotation Speed in True Centrifugal Example 6.1 Velocidad de True Centrifugal Casting Rotationen Speed in rotación la Casting True Centrifugal fundición Casting real centrífuga

F¼

GF ¼

v2 F mv2 ¼ ¼ W Rmg Rg

(6.2) (6.2)

Section 6.4/Foundry Practice Section 6.4/Foundry Practice

129 129

La velocidad, v, se expresa como 2πRN/60 = πRN/30, donde N = velocidad rotacional, rev/min. Velocity v can be expressed as 2pRN/60 ¼ pRN/30, where N ¼6.4/Foundry rotational speed, rev/min. Section Practice 129 Al sustituirv esta en laasecuación (6.2), se obtiene Velocity can expresión be expressed 2pRN/60 ¼ pRN/30, where N ¼ rotational speed, rev/min. Substituting this expression into Eq. (6.2), we obtain Substituting this expression into Eq. (6.2), we obtain �pN �2 Velocity v can be expressed as 2pRN/60 ¼ R pRN/30, �pN � where N ¼ rotational speed, rev/min. 30 2 Substituting this expression into Eq. (6.3) (6.3) GF ¼ Rwe (6.2), 30 obtain g� � (6.3) GF ¼ g pN 2 R 30 Rearranging solve rotational speed using diameter D el rather than radius (6.3) ¼ N, and rotatoria, Al reacomodarthis éstato fin de for resolverla paraGF la velocidad N, y con uso del diámetro, Rearranging this toa solve for rotational speed N, and D rather than radius g using diameter in the resulting equation, we have D, en vez del radio en la ecuación resultante, se tiene in the resulting equation, we have rffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi Rearranging this to solve for rotational speed N, and ffi using diameter D rather than radius 30 rffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi 2gGF N ¼ 30 2gGF (6.4) in the resulting equation, we have (6.4) D (6.4) N ¼ p rffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi p D ffi 30 2gGF where D 6.13 ¼ inside diameter ofcentrifugal the mold, (ft). If(Credit: the G-factor is too low in centrifugal N ¼m (6.4) FIGURE Setup for true casting. Fundamentals of Modern where D ¼ inside diameter of the mold, m IfelDthe G-factor is too low in centrifugal p(ft). donde D es el diámetro interior del molde, m (pie). Si factor G es muy pequeño en la fundición thmetal casting, the liquid will not remain forced against the mold wall during the upper Edition bynot Mikell P. Groover, 2010. Reprinted with permission of John Manufacturing, 4 metal casting, the liquid will remain forced against the mold wall during the upperla centrífuga, el¼ metal no verá forzado ampermanecer contra la pared del molde durante half of &the circular path butsewill ‘‘rain’’ inside theIf cavity. Slipping occurs between the Wiley Sons, Inc.)líquido where D inside diameter of the mold, (ft). the G-factor is too low in centrifugal half of the circular path but will ‘‘rain’’ inside the cavity. Slipping occurs between the mitad superior de la trayectoria circular, sino que “lloverá” dentro de la cavidad. Hay un deslizamolten metal and the mold wall, which means that the rotational speed of the metal is less casting, the and liquid metal will not remain forced against the mold wall during theisupper molten metal the mold wall, which means that the rotational speed of the metal less miento entre metal fundido y laempirical pared delbasis, molde, lothe quecavity. quetola 80 velocidad rotacional than ofelthe mold. On but an values ofsignifica GF ¼ 60 are found to be halfthat of the circular path will ‘‘rain’’ inside Slipping occurs between the than that the mold. an empirical basis, values of GF ¼ to 80 are[2] found to be del metal esofmenor que laOn delcentrifugal molde. Concasting una base empírica, sethis ha 60 encontrado que extent para la appropriate for horizontal [2], although depends to some molten metal and the mold wall, which means that the rotational speed of the metal is less appropriate for horizontal centrifugal casting [2], although to some extent fundición centrífuga horizontal son apropiados valores de GF dethis 60 adepends 80, aunque esto depende onthan the that metal being cast. of being the mold. an empirical basis, values of GF ¼ 60 to 80 are found to be on the metal cast. On hasta cierto punto del metal que se funde. appropriate for horizontal centrifugal [2], although this depends to some extent A true centrifugal casting operation is casting to be performed horizontally to make copper Aon true centrifugal casting operation is to be performed horizontally to make copper the metal being cast. tubeoperación sections with OD ¼ 25 cm and real ID ¼ What speed is required if a Una de fundición centrífuga se22.5 llevacm. a cabo en rotational forma horizontal, a fin de fabricar tube sections with OD ¼ 25 cm and ID ¼ 22.5 cm. What rotational speed is required if a G-factor of 65 is used to cast the tubing? A true centrifugal casting operation is to be performed horizontally to make copper secciones cobretocon diámetro exterior (DE) de 25 cm, y diámetro interior (DI) de 22.5 G-factor de of tubo 65 isdeused cast the tubing? tube sections with OD ¼ 25 cmofand ID ¼ 22.5 rotational speed is required if a cm. ¿Cuál es The la velocidad rotacional que requiere si seWhat va a usar un factor Gcm de¼ 650.25 param. fundir Solution: inside diameter these mold D ¼cm. OD of the casting ¼ 25 We Solution: The inside diameter of the mold D ¼ OD of the casting ¼ 25 cm ¼ 0.25 m. We G-factor of 65 is used to cast the tubing? elcan tubo? compute the required rotational speed from Eq. (6.4) as follows: can compute the required rotational speed from Eq. (6.4) as follows: Solution:El The inside diameter offfiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi the mold D ¼del OD of thees casting ¼ 0.25 m. We Solución:  diámetro interior delr molde D = DE fundido de 25 ¼ cm25=cm 0.25 m. Con la ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi 30 rrotacional 2ð9:8Þð26Þ can compute required rotational speed from Eq. (6.4) as follows: ecuación (6.4) se the calcula la N velocidad requerida, como sigue: & ¼ 30 2ð9:8Þð26Þ ¼ 681:7 rev=min: & 0:25 N ¼ p rffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi ¼ 681:7 rev=min: p 0:25 30 2ð9:8Þð26Þ In vertical centrifugalNcasting, the effect of¼gravity acting on the liquid metal causes ■& 681:7 rev=min: ¼ In vertical centrifugal casting, the 0:25 effect of gravity acting on the liquid metal causes p base the casting wall to be thicker at the than at the top. The inside profile of the casting the casting wall to be thicker at the base than at the top. The inside profile of the casting wall takes on a parabolic shape. Consequently, part lengths made by vertical centrifugal vertical centrifugal casting, effect of acting on the liquid metal causes laInfundición centrífuga vertical, elthe efecto depart lagravity gravedad sobre elby metal líquido ocasiona wallEn takes on a parabolic shape. Consequently, lengths made vertical centrifugal casting are usually nobemore thanatabout twice their diameters. This is quite satisfactory for the casting wall to thicker the base than at the top. The inside profile of the casting que la pared de la fundición másabout gruesa en latheir basediameters. que en la parte El perfil interior casting are usually no moresea than twice Thissuperior. is quite satisfactory for bushings andon other parts that haveConsequently, large diameterspart relatively tomade their by lengths, especially if wall takes a parabolic shape. lengths vertical centrifugal de la paredand de la fundición adopta unalarge forma parabólica. En consecuencia, las longitudes de las bushings other parts that have diameters relatively to their lengths, especially if machining isusually used tonoaccurately size thetwice inside diameter. casting are more than about their diameters. This is quite satisfactory for piezas que se fabrican con fundición centrífuga vertical por lo general no son más del doble que machining is used to accurately size the inside diameter. Castings made by true centrifugal casting are relatively characterized by high density, espe- if bushings and other parts that have large diameters to their lengths, especially sus diámetros. es muy satisfactorio para casting rodamientos y otros elementos que tienen diámetros CastingsEsto made by true centrifugal are characterized by high density, especially in the is outer regions of the part where centrifugal force is greatest. Solidification machining used to accurately size the inside diameter. de mayor tamaño en relación con sus longitudes, en especial si se hace uso de algún maquinado cially in the outer regions of the part where centrifugal force is greatest. Solidification shrinkage at the made exterior of the cast tube casting is not a factor, because the centrifugal by true centrifugal characterized by high density,force espepara dar Castings la medida al diámetro interior. shrinkage at the exacta exterior of the cast tube is not aare factor, because the centrifugal force continually reallocates molten metal toward the mold wall during freezing. Any impurities cially in the outer regions of the part where centrifugal force is greatest. Solidification Las fundiciones hechas con fundición centrífuga real se caracterizan por su densidad elevacontinually reallocates molten metal toward the mold wall during freezing. Any impurities inshrinkage the castingattend to be on the inner wall andiscan be by machining if necessary. the exterior ofexteriores the cast tube notdonde a removed factor, because the centrifugal force da, en especial en lasto regiones de la pieza, la fuerza esifmáxima. La in the casting tend be on the inner wall and can be removed by centrífuga machining necessary. continually reallocates molten metal toward the mold wall during freezing. Any impurities in the casting tend to be on the inner wall and can be removed by machining if necessary.

6.4 6.4 FOUNDRY FOUNDRY PRACTICE PRACTICE In all casting processes, the metal must be heated to the molten state to be poured or 6.4 FOUNDRY PRACTICE In all casting processes, the metal must be heated to the molten state to be poured or

124  CAPÍTULO 6  Procesos de fundición de metales

contracción por la solidificación en el exterior del tubo fundido no es un factor, porque la fuerza centrífuga distribuye continuamente metal fundido en dirección de la pared del molde durante la solidificación. Las impurezas de cualquier tipo tienden a estar en la pared interna y pueden ser eliminadas por medio del maquinado si es que fuese necesario.

6.4  La práctica de la fundición En todos los procesos de fundición, debe calentarse el metal hasta alcanzar el estado líquido para vaciarlo o forzarlo de algún modo a que pase al molde. El calentamiento y la fusión se llevan a cabo en un horno. Esta sección se ocupa de los diversos tipos de hornos que se emplean en las fundidoras, así como de las prácticas de vaciado para llevar el metal fundido del horno al molde.

6.4.1 Hornos Los tipos de hornos más comunes que se emplean en las fundidoras son 1) cubilotes, 2) hornos de combustión directa, 3) hornos de crisol, 4) hornos de arco eléctrico y 5) hornos de inducción. La selección del tipo más apropiado de horno depende de factores como: aleación por fundir; sus temperaturas de fusión y vaciado; requerimientos de capacidad del horno; costos de la inversión, la operación y el mantenimiento; y las consideraciones sobre contaminación ambiental. Cubilotes  Un cubilote es un horno cilíndrico vertical equipado con un canal de paso (o bebedero de sangrado) cerca de su base. Los cubilotes sólo se usan para hierros fundidos, y aunque también se emplean otros hornos, el mayor peso en toneladas de hierro fundido se obtiene en cubilotes. En la figura 6.14 se ilustra la construcción general y características de operación. Consiste en una carcasa grande de placa de acero recubierta con material refractario. La “carga” consiste en hierro, coque, fundente y tal vez elementos de aleación, y se introduce a través de una compuerta que se localiza a menos de la mitad de la altura del cubilote. Por lo general, el hierro es una mezcla de arrabio y chatarra (incluyendo mazarotas, sistemas de alimentación y bebederos, procedentes de las fundiciones anteriores). El coque es el combustible que se usa para calentar el horno. Se introduce aire forzado a través de las aberturas cerca de la base de la carcasa para la combustión del coque. El fundente es un compuesto alcalino como la roca caliza o cal, que reacciona con la ceniza del coque y otras impurezas para formar la escoria. Ésta sirve para cubrir la fundición, e impide que reaccione con el ambiente dentro del horno de cubilote, y también reduce la pérdida de calor. Conforme la mezcla se calienta y ocurre la fundición del hierro, el horno se sangra periódicamente para realizar el vaciado del metal líquido. Hornos de combustión directa  Un horno de combustión directa consta de un hogar abierto

pequeño en el que se calienta la carga de metal por medio de quemadores de combustible ubicados en uno de sus lados. El techo del horno contribuye a la acción de calentamiento reflejando la flama hacia abajo contra la carga. El combustible común es gas natural, y los productos de la combustión salen del horno a través de una chimenea. En la parte inferior del hogar hay un orificio de salida para liberar el metal fundido. Los hornos de combustión directa por lo general se emplean en la fundición de metales no ferrosos como aleaciones base cobre y aluminio. Hornos de crisol  Estos hornos funden el metal sin que tenga contacto directo con una mezcla

combustible. Por esta razón, en ocasiones se les llama hornos de combustión indirecta o calentados por combustión indirecta. En las fundidoras se utilizan tres tipos de crisoles: a) móvil, b) estacionario y c) el basculante, los cuales se ilustran en la figura 6.15. Todos emplean un contenedor (el crisol) hecho de material refractario apropiado (por ejemplo, una mezcla de arcilla y grafito) o una aleación de acero resistente a la alta temperatura, para contener la carga. En el horno de crisol móvil, éste se coloca en un horno y se calienta lo suficiente para fundir la carga de metal. Los combustibles comunes para estos hornos son petróleo, gas o carbón en polvo. Cuando el metal se funde, el crisol se eleva fuera del horno y se usa como cuchara para el vacia-

6.4  La práctica de la fundición   125

Interior Interior

FIGURA 6.14  El horno de cubilote es usado para obtener hierro fundido. El horno que se muestra es común para una fundidora pequeña y se omiten los detalles del sistema de control de emisiones que se requiere para un horno de cubilote moderno. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

Exterior

Puerta de carga Piso de carga Recubrimiento refractario Carga Fuelle

Carcasa de acero

Caja de viento Metal fundido listo para extraerse Pasador (tapón)

Escoria Canal de salida de la escoria Fondo de arena

Canal de extracción

Soportes

do. Los otros dos tipos, que en ocasiones reciben el nombre de hornos de crisol con quemador integrado (potfurnace en inglés), tienen el horno para calentar y el contenedor como unidad integrada. En el horno de crisol estacionario, el horno no se mueve y el metal fundido se extrae con una cuchara del contenedor. En el horno de crisol basculante, todo el conjunto se inclina para hacer el vaciado. Los crisoles se emplean para metales no ferrosos como el bronce, latón y aleaciones de zinc y aluminio. Las capacidades de los hornos por lo general están limitadas a varios cientos de libras.

Cubierta

Cubierta Pico de vaciado Crisol móvil

Manivela de volteo

Cáscara de acero Horno de crisol Base

Combustible

Combustible

Combustible

Bloque de apoyo

Revestimiento refractario a)

b)

c)

FIGURA 6.15  Tres tipos de crisoles: a) crisol móvil, b) crisol estacionario y c) crisol basculante. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

126  CAPÍTULO 6  Procesos de fundición de metales

Cubierta

Bobinas de inducción de cobre FIGURA 6.16  Horno de inducción. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

Metal fundido (las flechas indican la acción mezcladora) Material refractario

Hornos de arco eléctrico  En este tipo de horno, la carga se funde debido al calor generado por

un arco eléctrico que fluye entre dos o tres electrodos y el metal de carga. El consumo de energía es alto pero los hornos eléctricos se diseñan para que tengan capacidad de fusión alta (23 000 a 45 000 kg/h, o 25 a 50 ton/h), y se usan sobre todo para fundir acero. Hornos de inducción  Un horno de inducción emplea corriente alterna que pasa a través de una bobina para desarrollar un campo magnético en el metal, y la corriente inducida que resulta ocasiona el calentamiento rápido y la fundición del metal. En la figura 6.16 se ilustran las características de un horno de inducción para las operaciones de fundición. El campo de fuerza electromagnética hace que ocurra una acción mezcladora en el metal líquido. Asimismo, como el metal no entra en contacto directo con los elementos calefactores, el ambiente en donde se origina la fusión se puede controlar de cerca. Todo esto da como resultado metales fundidos de calidad y pureza altas, y los hornos de inducción se emplean para casi cualquier aleación cuando estos requerimientos son importantes. En el trabajo de fundición son comunes las aplicaciones en donde es necesario fundir aleaciones de acero, hierro y aluminio.

6.4.2  Vaciado, limpieza y tratamiento térmico En ocasiones se lleva el metal fundido del horno de fundición al molde por medio de crisoles. Con más frecuencia, la transferencia se lleva a cabo por medio de cucharas de colada. Éstas reciben el metal del horno y permiten que se vierta de manera conveniente en los moldes. En la figura 6.17 se ilustran dos tipos de cucharas comunes, una es para manejar volúmenes grandes de metal fundido por medio de una grúa viajera, y el otro es una “cuchara para dos hombres”, para moverla en forma manual y vaciar cantidades pequeñas. Uno de los problemas del vaciado es que podría introducirse metal fundido oxidado al molde. Los óxidos de metal reducen la calidad del producto y quizás hagan que la fundición sea defectuosa, por lo que se toman medidas para minimizar la entrada de estos óxidos en el molde durante el vaciado. En ocasiones se emplean filtros para capturar los óxidos y otras impurezas conforme se vierte el metal desde el pico de vaciado, y se emplean fundentes para cubrir el metal fundido a fin de retardar la oxidación. Además, se han creado cucharas para vaciar el metal líquido desde el fondo, ya que los óxidos se acumulan en la superficie de superior. Después de que el metal fundido se ha solidificado y retirado del molde, por lo general se requiere cierto número de etapas adicionales. Estas operaciones incluyen 1) recorte, 2) remoción del corazón, 3) limpieza de las superficies, 4) inspección, 5) reparación, si se requiriera y 6) dar tratamiento térmico. En un taller de fundición los pasos del 1 al 5 constituyen las operaciones de “limpieza”. El grado en que se requieren estas operaciones adicionales varía según los procesos de fundición y los metales. Cuando se necesitan, por lo general son intensivas en mano de obra y además costosas. El recorte involucra la remoción de los bebederos, sistemas de alimentación, mazarotas, rebabas en la línea de partición, sujetadores, laminillas metálicas y cualquier exceso de metal de la pieza fundida. En el caso de aleaciones fundidas frágiles y cuando las secciones transversales

6.5  Calidad de la fundición   127

Gancho para la grúa Vista superior Caja de engranes para el vaciado

Pico de vaciado

Manivela de volteo

a) (a)

Mango

Vista frontal (b)b)

FIGURA 6.17  Dos tipos comunes de cucharas de colada: a) cuenco de grúa y b) cuenco para dos hombres. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

sean relativamente pequeñas, es posible romper estos apéndices de la fundición. De otro modo, hay que martillar, cortar, cortar con segueta, cortar con rueda abrasiva o con varios métodos de corte con soplete. Si se han usado corazones para obtener la pieza fundida, hay que retirarlos. La mayor parte de corazones están unidos químicamente o con arena y aceite, y es frecuente que caigan de la fundición si el aglutinante se deteriora. En ciertos casos se retiran por medio del golpeo a la fundición, ya sea en forma manual o mecánica. En instancias raras los corazones se retiran en forma química con la disolución del agente aglutinante que se usó en el corazón de arena. Los corazones sólidos deben martillarse o presionarse. La limpieza de las superficies es lo más importante en el caso de la fundición con arena. En muchos de los otros métodos de fundición, en especial los procesos con molde permanente, puede evitarse este paso. La limpieza de las superficies involucra la remoción de la arena de la superficie del fundido y otras maneras de mejorar su apariencia. Los métodos que se usan para limpiar superficies incluyen la fricción por tambor rotatorio (tumbling, en inglés), el soplo de aire con granos de arena gruesa (sanblasteado) o balines de metal, uso de cepillos de alambre, pulido y limpieza con baño químico (véase el capítulo 21). Es posible que la fundición tenga defectos, por lo que se necesita inspección para detectar su presencia. En la sección siguiente se estudian esos temas de la calidad. Es frecuente que las fundiciones reciban tratamiento térmico (véase el capítulo 20) a fin de mejorar sus propiedades, ya sea con operaciones subsecuentes como el maquinado o resaltar las propiedades que se desean para la aplicación de la pieza en el servicio.

6.5  Calidad de la fundición Hay muchas formas de que las cosas salgan mal en una operación de fundición, lo que da como resultado defectos de calidad del producto. En esta sección se recopila una lista de los defectos comunes que ocurren durante la fundición, y se indican los procedimientos de inspección para detectarlos. Defectos de fundición  Algunos defectos que son comunes a todos los procesos de fundición se ilustran en la figura 6.18 y se describen brevemente a continuación:

a) Llenado incompleto, son fundiciones que se solidifican antes de llenar por completo la cavidad del molde. Las causas comunes incluyen: 1) fluidez insuficiente del metal fundido, 2) temperatura de vaciado muy baja, 3) vaciado lento y 4) sección transversal de la cavidad del molde muy delgada.

128  CAPÍTULO 6  Procesos de fundición de metales

Molde

FIGURA 6.18  Algunos defectos comunes de las fundiciones: a) llenado incompleto, b) junta fría, c) gránulos fríos, d) cavidad por contracción, e) microporosidad y f) desgarramiento caliente. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

Gránulos fríos

Junta fría

Llenado incompleto

Corazón Molde

Molde

Molde a)

Cavidad por contracción

c)

b) Molde

Microporosidad (se ha exagerado su tamaño)

Molde

Desgarramientos calientes

Molde d)

e)

f)

b) Juntas frías, ocurren cuando dos porciones del metal fluyen al mismo tiempo pero no hay fusión entre ellas debido a la solidificación prematura. Sus causas son similares a las del llenado incompleto. c) Gránulos fríos, resultan de las salpicaduras durante el vaciado, lo que ocasiona la formación de glóbulos sólidos de metal que quedan atrapados en la fundición. Este defecto puede evitarse con procedimientos de vaciado y diseños del sistema de compuerta que eviten las salpicaduras. d) Cavidad por contracción, es una depresión en la superficie o un hueco interno en la fundición, causado por la solidificación por contracción que restringen la cantidad de metal fundido disponible en la última región que se solidifica. Es frecuente que ocurra cerca de la parte superior de la fundición, en cuyo caso se conoce como “rechupe” [véase la figura 5.6(3)]. Con frecuencia, el problema se resuelve con el diseño apropiado de la mazarota. e) Microporosidad, consiste en una red de huecos pequeños distribuidos en la fundición, ocasionados por la falta de solidificación localizada del metal fundido final en la estructura dendrítica. Este defecto se asocia por lo general con aleaciones, debido a la manera fraccionada en que ocurre la solidificación en esos metales. f) Desgarramiento caliente, también llamado agrietamiento caliente, ocurre cuando la fundición no puede contraerse por un molde que no lo propicia durante las etapas finales de la solidificación, o en las primeras etapas del enfriamiento después de solidificarse. El defecto se manifiesta como la separación del metal (de ahí los términos desgarramiento y agrietamiento) en un punto de gran esfuerzo a la tensión ocasionado por la incapacidad del metal de contraerse en forma natural. En la fundición con arena y otros procesos con moldes desechables, se evita haciendo que el molde sea colapsable. En los procesos con molde permanente, el desgarramiento caliente disminuye si se retira la pieza del molde inmediatamente después de la solidificación. Algunos defectos se relacionan con el uso de moldes de arena, y por ello ocurren sólo en las fundiciones en arena. En menor grado, otros procesos con moldes desechables también son susceptibles de provocar estos problemas. En la figura 6.19 se ilustran los defectos que ocurren sobre todo en la fundición con arena, y se describen en seguida: a) Sopladura, es un defecto que consiste en una cavidad de gas en forma de globo, ocasionada por la liberación de gases del molde durante el vaciado. Ocurre en o por debajo de la superficie de la fundición, cerca de la parte superior de ésta. Las causas habituales son baja permeabilidad, mala ventilación y contenido de humedad alto del molde de arena.

6.5  Calidad de la fundición   129

Sopladura

Puntos de alfiler Costra Molde

Molde a)

Molde b)

Caídas de arena

Corrimiento del molde superior con respecto al molde inferior

Penetración Molde superior

d)

c) El corazón se ha desplazado hacia arriba

Grieta de molde

g)

h)

Línea de partición

Molde inferior e)

f)

FIGURA 6.19  Defectos comunes en las fundiciones con arena: a) sopladura, b) puntos de alfiler, c) caídas de arena, d) costras, e) penetración, f) corrimiento del molde, g) corrimiento del corazón y h) molde agrietado. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

b) Puntos de alfiler, también los ocasiona la liberación de gases durante el vaciado y consisten en muchas cavidades pequeñas por gases formadas en o ligeramente debajo de la superficie de la fundición. c) Caídas de arena, es una irregularidad en la superficie de la fundición que se genera por la erosión del molde de arena durante el vaciado, y el contorno de la erosión se forma en la superficie de la pieza fundida final. d) Costras, son áreas rugosas en la superficie del fundido debido a incrustaciones de arena y metal. Las ocasionan porciones de la superficie del molde que se desprenden durante la solidificación y quedan adheridas en la superficie del metal fundido. e) Penetración, es un defecto de la superficie que ocurre cuando la fluidez del metal líquido es alta, y penetra en el molde de arena o corazón de arena. Una vez solidificado, la superficie de la fundición consiste en una mezcla de granos de arena y metal. Una mejor compactación del molde de arena ayuda a disminuir esta condición. f) Corrimiento del molde, se refiere a un defecto ocasionado por el movimiento lateral del molde superior (cope, en inglés) en relación al molde inferior (drag, en inglés), lo que da por resultado un escalón en la fundición, sobre la línea de partición. g) Corrimiento del corazón, es similar al del molde, pero es el corazón el que se mueve, y por lo general su desplazamiento es vertical. El desplazamiento del corazón es ocasionado por la flotación del metal fundido y su tendencia a elevar el corazón, que es más ligero. h) Molde agrietado, ocurre cuando la resistencia del molde es insuficiente y se presenta una grieta, en la que entra metal líquido y forma una “laminilla delgada o rebaba” en la fundición final. Métodos de inspección  Los procedimientos de inspección en una fundidora contemplan: 1) inspección visual para detectar defectos obvios como el llenado incompleto, juntas frías y defectos superficiales severos; 2) medida de las dimensiones para garantizar que se cumple con las tolerancias, y 3) pruebas metalúrgicas, químicas, físicas y de otro tipo, relacionadas con la calidad inherente del metal que se funde [7]. Las pruebas de la categoría 3 incluyen: a) pruebas de presión, para localizar fugas en la fundición; b) métodos radiográficos, pruebas de partículas magnéticas, uso de líquidos penetrantes fluorescentes y pruebas supersónicas, para detectar defectos superficiales o internos en la fundición y c) pruebas mecánicas para determinar propiedades como resistencia a la tensión y dureza. Si los defectos que se descubren no son muy serios,

130  CAPÍTULO 6  Procesos de fundición de metales

con frecuencia es posible salvar la fundición por medio de soldadura, esmerilado u otros métodos de recuperación con los que el cliente esté de acuerdo.

6.6  Metales para fundición La mayoría de las fundiciones comerciales están hechas con aleaciones y no con metales puros. Por lo general, las aleaciones son más fáciles de fundir, y las propiedades del producto resultante son mejores. Las aleaciones de fundición pueden ser clasificadas como ferrosas o no ferrosas. La categoría de las ferrosas se subdivide en hierro fundido (colado) y acero fundido. Aleaciones ferrosas de fundición: Hierro fundido  El hierro fundido (colado) es el más importante de todas las aleaciones para fundición. El peso en toneladas de las fundiciones hechas con hierro es varias veces el de todos los demás metales combinados. Hay varios tipos de hierros fundidos (véase la sección 2.1.2): 1) hierro fundido gris, 2) hierro nodular, 3) hierro fundido blanco, 4) hierro maleable y 5) fundiciones de aleación de hierro. Las temperaturas comunes de vaciado para el hierro fundido son alrededor de 1 400 °C (2 500 °F), lo que depende de su composición. Aleaciones ferrosas de fundición: acero  Las propiedades mecánicas del acero lo hacen un material atractivo para la ingeniería (véase la sección 2.1.1), y la capacidad de crear formas complejas hace que la fundición sea un proceso atractivo. Sin embargo, las fundidoras que se especializan en acero enfrentan dificultades grandes. En primer lugar, el punto de fusión del acero es considerablemente más alto que el de la mayoría de metales que son fundidos comúnmente. El intervalo de solidificación para aceros al bajo carbono comienza apenas por debajo de 1 540 °C (2 800 °F). Esto significa que la temperatura que se requiere para vaciar el acero es muy alta, cerca de 1 650 °C (3 000 °F). A estas temperaturas tan elevadas el acero tiene una química muy reactiva. Se oxida con rapidez, por lo que deben emplearse procedimientos especiales durante la fundición y vaciado a fin de aislar al metal fundido del aire. Asimismo, el acero fundido tiene relativamente poca fluidez, y esto limita el diseño de secciones delgadas en componentes fundidos de acero. Son varias las características de los fundidos de acero que hacen benéfico el esfuerzo de resolver estos problemas. La resistencia a la tensión es mayor que la de la mayoría de metales para fundición, y es de 410 MPa (60 000 lb/pulg2), aproximadamente [9]. Las fundiciones de acero tienen una mejor tenacidad que la mayor parte de otras aleaciones fundidas. Las propiedades de las fundiciones de acero son isotrópicas; su resistencia es virtualmente la misma en todas direcciones. Por el contrario, las piezas conformadas mecánicamente (por ejemplo, laminado, forjado) presentan propiedades que varían con la dirección. En función de los requerimientos del producto, puede ser deseable que el comportamiento de un material sea isotrópico. Otra ventaja de las fundiciones de acero es la facilidad con que se sueldan. Se sueldan sin que haya pérdida significativa de su resistencia para reparar la fundición, o para fabricar estructuras con otros componentes de acero. Aleaciones no ferrosas de fundición  Los metales no ferrosos para fundición incluyen alea-

ciones de aluminio, magnesio, cobre, estaño, zinc, níquel y titanio (véase la sección 2.1.3). Las aleaciones de aluminio por lo general se consideran muy susceptibles de fundirse. El punto de fusión del aluminio puro es de 660 °C (1 220 °F), por lo que las temperaturas de vaciado de las aleaciones fundidas de aluminio son bajas en comparación con el hierro fundido (colado) y el acero. Sus propiedades las hacen atractivas para que sean fundidas: bajo peso, rango amplio de propiedades de resistencia que se logran por medio de tratamiento térmico, y facilidad de maquinado. Las aleaciones de magnesio son las más ligeras de todos los metales para fundición. Otras propiedades incluyen resistencia a la corrosión, así como buenas resistencias a peso y rigidez a peso. Las aleaciones de cobre incluyen bronce, latón y aluminio-bronce. Las propiedades que los hacen atractivos son la resistencia a la corrosión, apariencia atractiva, y buenas cualidades para servir como elementos antifricción. El costo elevado del cobre es una limitación en el uso de sus

6.7  Consideraciones sobre el diseño del producto   131

aleaciones. Las aplicaciones incluyen coples para tubos, aspas de propelas marinas, componentes de bombas y joyería. El estaño tiene el punto de fusión más bajo de los metales para fundición. Las aleaciones base estaño por lo general son fáciles de fundir. Tiene buena resistencia a la corrosión pero mala resistencia mecánica, lo que limita sus aplicaciones a vasijas de peltre y productos similares que no requieren mucha resistencia. Las aleaciones de zinc se emplean comúnmente en la fundición con dados. El zinc tiene un punto de fusión bajo y buena fluidez, lo que lo hace muy susceptible para trabajarse en el proceso de fundición. Su principal desventaja es su baja resistencia a la termofluencia, por lo que sus fundiciones no pueden estar bajo esfuerzos altos y prolongados. Las aleaciones de níquel tienen buena resistencia al calor y a la corrosión, lo que las hace apropiadas para aplicaciones de temperaturas altas como motores de propulsión a chorro y componentes de cohetes, protectores contra el calor y otros productos similares. Las aleaciones de níquel también tienen un punto de fusión alto y no son fáciles de fundir. Las aleaciones de titanio para fundición son resistentes a la corrosión y poseen relaciones altas de resistencia a peso. Sin embargo, el titanio tiene un punto de fusión alto, poca fluidez y es propenso a oxidarse a temperaturas elevadas. Estas propiedades hacen difícil la fundición del elemento y de sus aleaciones.

6.7  Consideraciones sobre el diseño del producto Si el diseñador del producto elige a la fundición como el proceso de manufactura principal de cierto componente, entonces deben seguirse ciertos lineamientos para facilitar la producción de la pieza y evitar muchos de los defectos que se enumeran en la sección 6.5. A continuación se presentan algunos de los lineamientos importantes y consideraciones para la fundición. • Simplicidad geométrica. Aunque la fundición es un proceso que puede usarse para producir piezas de forma compleja, la simplificación del diseño de ésta mejorará su capacidad para fundirse. Evitar complejidades innecesarias simplifica la fabricación del molde, reduce la necesidad de corazones y mejora la resistencia de la fundición. • Esquinas. Deben evitarse las esquinas y ángulos agudos, porque son fuentes de concentración de esfuerzos y ocasionan desgarramientos calientes y grietas en la fundición. Deben diseñarse biseles o el aumento de radios de curvatura en esquinas internas, y suavizar los bordes agudos. • Los espesores de sección deben ser uniformes a fin de evitar cavidades debido a la contracción. Las secciones gruesas crean puntos calientes en la fundición, debido a que un volumen mayor requiere un mayor tiempo para solidificarse y enfriarse. Éstas son ubicaciones probables de las cavidades o bolsas por contracción. • Ahusamiento (ángulo de salida). Las secciones de la pieza que se proyectan al interior del molde deben tener un ahusamiento o ángulo de salida, como se define en la figura 6.20. En la fundición con moldes desechables, el propósito de ese ahusamiento es ayudar a extraer el modelo del molde. Deben permitirse holguras similares si se emplean corazones sólidos en el proceso de fundición. Para la fundición con moldes de arena el ángulo de salida que se requiere necesita ser de sólo 1°, y de 2° a 3° para procesos con moldes permanentes. • Uso de corazones. Ciertos cambios pequeños en el diseño de la pieza reducen la necesidad de utilizar corazones, como se ilustra en la figura 6.20. • Tolerancias dimensionales. Hay diferencias significativas en la precisión dimensional que puede alcanzarse en las fundiciones, lo que depende del proceso que sea utilizado. En la tabla 6.1 se presenta una recopilación de tolerancias comunes para piezas para diferentes procesos de fundición y diversos metales. • Acabado superficial. La rugosidad superficial típica que se logra en el proceso de fundición con arena es de alrededor de 6 μm (250 μpulg). Resultados semejantes se obtienen con el moldeo en cáscara en donde se obtiene malos acabados, en tanto que los moldes de yeso y la fundición por revestimiento producen mucho mejores valores de rugosidad: 0.75 μm (30 μpulg). Entre los procesos con molde permanente es notable la fundición con dados debido a los buenos acabados superficiales, los cuales se encuentran alrededor de 1 μm (40 μpulg).

132  CAPÍTULO 6  Procesos de fundición de metales

Ángulo Ángulo de salida de salida (ahusamiento)

Molde superior

Corazón

Molde superior Molde inferior

Molde inferior

Línea de partición a)

Ángulo de salida

b)

Línea de partición

FIGURA 6.20  Definición del ángulo de salida o ahusamiento. También se muestra el cambio del diseño para eliminar la necesidad de utilizar un corazón; a) diseño original y b) rediseño. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

• Tolerancias de maquinado. En muchos procesos de fundición las tolerancias que puede alcanzarse son insuficientes para satisfacer las necesidades de funcionamiento en muchas aplicaciones. La fundición en arena es el ejemplo más notable con esta deficiencia. En estos casos deben maquinarse las piezas del material fundido para darles las dimensiones requeridas. Casi todas las fundiciones en arena deben maquinarse hasta cierto grado teniendo como objetivo que la pieza sea funcional. Por tanto, en ésta se deja material adicional, llamado tolerancia de maquinado, para maquinar esas superficies donde sea necesario. Las tolerancias comunes de maquinado para fundiciones en arena varían entre 1.5 mm y 3 mm (1/16 pulg y 1/4 pulg).

TABLA 6.1  Tolerancias dimensionales típicas para diferentes procesos de fundición y metales Tolerancia Proceso de fundición Fundición con arena  Aluminioa   Hierro fundido   Aleaciones de cobre  Acero Moldes en cáscara  Aluminioa   Hierro fundido   Aleaciones de cobre  Acero Molde de yeso

Tamaño de la parte

mm

pulg

Pequeño Pequeño Grande Pequeño Pequeño Grande

±0.5 ±1.0 ±1.5 ±0.4 ±1.3 ±2.0

±0.020 ±0.040 ±0.060 ±0.015 ±0.050 ±0.080

Pequeño Pequeño Pequeño Pequeño Pequeño Grande

±0.25 ±0.5 ±0.4 ±0.8 ±0.12 ±0.4

±0.010 ±0.020 ±0.015 ±0.030 ±0.005 ±0.015

Recopilado de [7], [14] y de otras fuentes. a Los valores para el aluminio también se aplican para el magnesio.

Tolerancia Proceso de fundición Molde permanente  Aluminioa   Hierro fundido   Aleaciones de cobre  Acero Fundición con dados  Aluminioa   Aleaciones de cobre Fundición por revestimiento  Aluminioa   Hierro fundido   Aleaciones de cobre  Acero

Tamaño de la parte

mm

Pequeño Pequeño Pequeño Pequeño

±0.25 ±0.8 ±0.4 ±0.5

±0.010 ±0.030 ±0.015 ±0.020

Pequeño Pequeño

±0.12 ±0.12

±0.005 ±0.005

Pequeño Pequeño Pequeño Pequeño

±0.12 ±0.25 ±0.12 ±0.25

±0.005 ±0.010 ±0.005 ±0.010

pulg

Problemas  133

Referencias   [1] Amstead, B. H., Ostwald, P. F. y Begeman, M. L. Manufacturing Processes. John Wiley & Sons, Inc., Nueva York, 1987.   [2] Beeley, P. R. Foundry Technology. Newnes-Butterworths, Londres, 1972.   [3] Black, J., y Kosher, R. DeGarmo’s Materials and Processes in Manufacturing, 10a. ed. John Wiley & Sons, New Jersey, 2008.   [4] Datsko, J. Material Properties and Manufacturing Processes. John Wiley & Sons, Inc., Nueva York, 1966.   [5] Decker, R. F., Walukas, D. M, LeBeau, S. E., Vinning, R. E. y Prewitt, N. D. “Advances in Semi-solid Molding, “Advanced Materials & Processes, abril de 2004, pp. 41-42.  [6] Flinn, R. A. Fundamentals of Metal Casting. American Foundrymen’s Society, Inc., Des Plaines, Illinois, 1987.   [7] Heine, R. W., Loper, Jr., C R. y Rosenthal, C. Principles of Metal Casting. 2a. ed. McGraw-Hill Book Co., Nueva York, 1967.

  [8] Kotzin, E. L. Metalcasting& Molding Processes. American Foundrymen’s Society, Inc., Des Plaines, Illinois, 1981.   [9] Metals Handbook. 9a. ed., vol. 15, Casting. ASM International, Materials Park, Ohio, 2008. [10] Mikelonis, P. J. (ed.). Foundry Technology. American Society for Metals, Materials Park, Ohio, 1982. [11] Mueller, B. “Investment Casting Trends,” Advanced Materials & Processes, marzo de 2005, pp. 30-32. [12] Niebel, B. W., Draper, A. B. y Wysk, R. A. Modern Manufacturing Processes Engineering. McGraw-Hill Book Co., Nueva York, 1989. [13] Perry, M. C. “Investment Casting,” Advanced Materials & Processes, junio de 2008, pp. 31-33. [14] Wick, C., Benedict, J. T. y Veilleux, R. F. Tool and Manufacturing Engineers Handbook. 4a. ed., vol. II, Forming. Society of Manufacturing Engineers, Dearborn, Michigan, 1984, capítulo 16. [15] www.wikipedia.org/wiki/semi-solid_metal_casting.

Preguntas de repaso   6.1. Mencione las dos categorías básicas de los procesos de fundición.   6.2. Existen varios tipos de modelos que se usan en el moldeo en arena. ¿Cuál es la diferencia entre un modelo dividido y otro con placa de acoplamiento?   6.3. ¿Qué es un sujetador?   6.4. ¿Qué propiedades determinan la calidad de un molde hecho de arena para la fundición?   6.5. ¿Cuál es el proceso de Antioch?   6.6. ¿Cuáles son los metales más comunes que se emplean en la fundición con dados?

  6.7. ¿Cuáles máquinas de fundición con dados tienen por lo general una tasa o velocidad de producción más elevada, las de cámara fría o las de cámara caliente, y por qué?   6.8. ¿Qué es la rebaba, en la fundición con dados?   6.9. ¿Qué es un horno de cubilote? 6.10. ¿Cuáles son algunas de las operaciones que se requieren en la fundición en arena, después de que la fundición se retira del molde? 6.11. ¿Cuáles son algunos de los defectos generales que se encuentran en los procesos de fundición? Mencione y describa tres, en forma breve.

Problemas   6.1. Una operación de fundición centrífuga real horizontal va a emplearse para fabricar tubería de cobre. Las longitudes serán de 1.5 m, con diámetro exterior de 15.0 cm, y con diámetro interior de 12.5 cm. Si la velocidad rotacional del tubo es de 1 000 rev/min, determine el factor G.   6.2. Una operación de fundición centrífuga real se lleva a cabo con una configuración horizontal, para fabricar secciones de tubería de hierro. Las secciones tendrán una longitud de 42.0 pulg, el diámetro exterior es de 8.0 pulg, y el espesor de la pared es de 0.50 pulg. Si la velocidad rotacional del tubo es de 500 rev/min, determine el factor G. ¿Es probable que la operación vaya a tener éxito?   6.3. Un proceso de fundición centrífuga real horizontal se emplea para fabricar bujes de latón de las dimensiones siguientes: longitud de 10 cm, diámetro exterior de 15 cm y diámetro interior de 12 cm. a) Determine la velocidad rotacional que se requiere a fin de obtener un factor G de 70. b) Cuando opera a esta velocidad, ¿cuál es la fuerza centrífuga por me-

tro cuadrado (Pa) que el metal fundido impone sobre la pared interior del molde? La densidad del latón es de 8.62 g/ cm3.   6.4. Una fundición centrífuga real se lleva a cabo en forma horizontal para fabricar secciones de tubo de cobre de diámetro grande. Los tubos tienen una longitud de 1.0 m, diámetro de 0.25 m y espesor de pared de 15 mm. a) Si la velocidad de rotación del tubo es de 700 rev/min, determine el factor G sobre el metal derretido. b) ¿La velocidad de rotación es suficiente para evitar la “lluvia”? c) ¿Qué volumen de metal fundido debe ser vaciado en el molde para hacer la fundición, si se toman en cuenta las pérdidas por contracción debida al cambio de estado y la contracción térmica? La contracción por cambio de estado del cobre es de 4.5% y su contracción térmica sólida es de 7.5%.   6.5. Si se realizara una operación de fundición centrífuga real en una estación espacial que circula alrededor de la Tierra, ¿cómo afectaría al proceso la falta de peso?

134  CAPÍTULO 6  Procesos de fundición de metales

  6.6. Se emplea un proceso de fundición centrífuga real horizontal para hacer anillos de aluminio con las dimensiones siguientes: longitud de 5 cm, diámetro exterior de 65 cm y diámetro interior de 60 cm. a) Determine la velocidad rotacional que dará un factor G de 60. b) Suponga que el anillo estuviera hecho de acero en vez de aluminio. Si en la operación de fundición del acero se empleara la velocidad rotacional que se calculó en el inciso a), determine el factor G, y c) la fuerza centrífuga por metro cuadrado (Pa) sobre la pared del molde. d) ¿Esta velocidad rotacional daría como resultado una operación exitosa? La densidad del acero es de 7.87 g/ cm3.   6.7. Para el anillo de acero del problema 6.6b), determine el volumen de metal fundido que debe vaciarse al molde, dado que la pérdida de líquido es de 0.5%, la contracción por solidificación es de 3% y la contracción sólida después de la solidificación es de 7.2%.   6.8. Se usa un proceso de fundición centrífuga real horizontal para fabricar tubo de plomo para plantas químicas. El tubo tiene una longitud de 0.5 m, diámetro exterior de 70 mm y

espesor de pared de 6.0 mm. Determine la velocidad de rotación que dará un factor G de 60.   6.9. La carcasa de cierto producto de maquinaria está hecho con dos componentes, ambos son fundiciones de aluminio. El componente más grande tiene la forma de tarja, y el segundo es una cubierta plana que se adjunta al primero para crear un espacio cerrado para las piezas de la maquinaria. Se utiliza fundición en arena para producir las dos fundiciones, las cuales están llenas de defectos como llenados incompletos y juntas frías. El supervisor se queja de que las piezas son demasiado delgadas, y afirma que ésta es la razón de los defectos. Sin embargo, se sabe que en otras fundidoras elaboran con éxito los mismos componentes. ¿Qué otra explicación podría haber para los defectos? 6.10. Una fundición en arena grande de acero, presenta los signos característicos del defecto de penetración, superficie que consiste en una mezcla de arena y metal. a) ¿Qué medidas pueden tomarse para corregir el defecto? b) ¿Qué otros defectos posibles podrían resultar si se implantara cada una de esas medidas?

7

Trabajo del vidrio

CONTENIDO DEL CAPÍTULO 7.1 7.2

Preparación y fusión de las materias primas Procesos de moldeo durante el trabajado del vidrio 7.2.1 Moldeo de artículos de vidrio 7.2.2 Moldeo de vidrio plano y tubular 7.2.3 Formado de fibras de vidrio

7.3

7.4

Tratamiento térmico y acabado 7.3.1 Tratamiento térmico 7.3.2 Acabado Consideraciones sobre el diseño del producto

Los productos de vidrio se manufacturan comercialmente en una variedad casi ilimitada de formas o geometrías. Muchos se producen en cantidades muy grandes, como las bombillas, botellas para bebidas y vidrio para ventanas. Otros, como los lentes de los telescopios gigantes, se fabrican de manera individual. El vidrio es uno de tres tipos básicos de materiales cerámicos (véase la sección 2.2). Lo distingue su estructura no cristalina (vítrea), mientras que los demás materiales cerámicos la tienen cristalina. Los métodos por los que el vidrio es convertido en productos útiles son muy distintos de aquellos que se emplean para los otros tipos. En el trabajo del vidrio, el material principal de inicio es la sílice (SiO2); por lo general, ésta se combina con otros óxidos cerámicos que forman vidrios. El material inicial se calienta para transformarlo de un sólido duro en un líquido viscoso; luego se le moldea a la geometría que se desea mientras se encuentra en esa condición fluida. Cuando se enfría y endurece, el material permanece en el estado vítreo en lugar de cristalizarse. La secuencia típica para manufacturar el vidrio consiste en las etapas que se ilustran en la figura 7.1. El moldeo se lleva a cabo mediante varios procesos, que incluyen la fusión, el prensado y el soplado (para producir botellas y otros contenedores), y el laminado (para hacer vidrio plano). Para ciertos productos se requiere una etapa de acabado.

7.1  Preparación y fusión de las materias primas El componente principal de casi todos los vidrios es la sílice, cuya fuente principal es el cuarzo de la arena natural. La arena debe lavarse y clasificarse. El lavado quita las impurezas como la arcilla y ciertos materiales que teñirían al vidrio con un color indeseable. Clasificar la arena significa agrupar los granos de acuerdo con su tamaño. El tamaño de partícula más conveniente para hacer vidrio está en el rango de 0.1 a 0.6 mm (0.004 a 0.025 pulg) [3]. Los diversos componentes adicionales, como carbonato de sodio (fuente del Na2O), roca caliza (fuente del CaO), óxido de aluminio, potasa (fuente del K2O) y otros minerales, se agregan en proporciones adecuadas para obtener la composición deseada. Generalmente la mezcla se hace por lotes, en cantidades compatibles con las capacidades de los hornos de fundición de que se disponga. En la práctica moderna, se suele agregar vidrio reciclado a la mezcla. Además de proteger el ambiente, el vidrio reciclado facilita la fusión. En función de la cantidad de desperdicios de vi-

136  CAPÍTULO 7  Trabajo del vidrio

Artículo de vidrio Arena

Vidrio fundido

1)

2)

3)

FIGURA 7.1  Secuencia típica del proceso del trabajado del vidrio: 1) preparación y fusión de la materia prima, 2) moldeo y 3) tratamiento térmico. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

drio disponibles y las especificaciones de la composición final, la proporción de vidrio reciclado puede alcanzar hasta 100%. El lote de los materiales de inicio por fundir se conoce como carga, y el procedimiento de cargarlo en el horno de fundición se denomina cargado del horno. Los hornos para fundir vidrio se dividen en los tipos siguientes [3]: 1) hornos de crisol, crisoles de material cerámico de capacidad limitada en la que ocurre la fusión por medio del calentamiento de sus paredes; 2) tanques refractarios, contenedores cerámicos de capacidad más grande para la producción de lotes, en los que el calentamiento se realiza mediante quemadores alimentados por combustibles sobre la carga; 3) hornos de tanque refractario continuo, hornos de tanque o contenedor largo en los que las materias primas se introducen por un extremo, y éstas se funden conforme se mueven hacia el otro, donde se extrae el vidrio fundido para alta producción, y 4) hornos eléctricos, de los cuales hay una gran variedad de diseños para un rango amplio de tasas de producción. La fusión del vidrio por lo general implica temperaturas aproximadas que oscilan entre 1 500 y 1 600 °C (de 2 700 a 2 900 °F). El ciclo de fusión para una carga común requiere de 24 a 48 horas. Éste es el tiempo necesario para que todos los granos de arena se conviertan en un líquido claro a fin de que se refine el vidrio fundido y se enfríe a la temperatura adecuada para el trabajo. El vidrio fundido es un líquido viscoso, su viscosidad se relaciona en forma inversa con la temperatura. Debido a que la operación de moldeo sigue de inmediato al ciclo de fusión, la temperatura a la que el vidrio se extrae del horno depende de la viscosidad que se requiera para el siguiente proceso.

7.2  Procesos de moldeo durante el trabajado del vidrio Las categorías principales de los productos de vidrio son el vidrio para las ventanas, los recipientes, las bombillas, el vidrio para cristalería de laboratorios, las fibras de vidrio y el vidrio óptico. A pesar de la variedad de esta lista, los procesos de moldeo para fabricar estos productos se agrupan sólo en tres categorías: 1) procesos discretos para artículos de vidrio, que incluye botellas, bombillas y otros productos individuales; 2) procesos continuos para fabricar vidrio plano (hojas y placas de vidrio para ventanas) y tubería (para artículos de laboratorio y lámparas fluorescentes), y 3) procesos para la producción de fibras para aislantes, materiales compósitos de fibra de vidrio y fibra óptica.

7.2.1  Moldeo de artículos de vidrio Los métodos antiguos para trabajar el vidrio a mano, como el soplado, aún se emplean para fabricar cantidades pequeñas de artículos de vidrio de mucho valor. La mayoría de procesos estudiados en esta sección son tecnologías altamente mecanizadas para producir cantidades grandes de piezas discretas como frascos, botellas y bombillas (focos).

7.2  Procesos de moldeo durante el trabajado del vidrio   137

Trozo de vidrio caliente

FIGURA 7.2  Centrifugado (spinning) de piezas de vidrio en forma de embudo: 1) Trozo de vidrio que se coloca en el molde y 2) rotación del molde para hacer que el vidrio fundido se distribuya sobre su superficie. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

Molde

2)

1)

Centrifugado  El centrifugado (spinning, en inglés) del vidrio es semejante a la fundición cen-

trífuga de los metales, y también se conoce con ese nombre en el contexto del trabajo o fabricación del vidrio. Se usa para producir componentes en forma de embudo. En la figura 7.2 se ilustra la preparación. Se coloca un trozo de vidrio fundido en un molde cónico hecho de acero. Se hace girar el molde de modo que la fuerza centrífuga haga que el vidrio fluya hacia arriba y se distribuya sobre la superficie del molde. Prensado  Éste es un proceso muy utilizado para la producción en masa de piezas de vidrio como

platos, moldes de pastelería, difusores para faros y artículos similares que son relativamente planos. El proceso se ilustra y describe en la figura 7.3. En esta secuencia de producción, las cantidades grandes de la mayoría de productos prensados justifican un nivel alto de automatización. Soplado  Varias secuencias de moldeo incluyen una o más etapas de soplado. En lugar de ser

una operación manual, el soplado se ejecuta en equipo muy automatizado. Las dos secuencias aquí descritas son para los métodos de prensado y soplado, y soplado y soplado. Como el nombre lo indica, el método de prensado y soplado es una operación de prensado seguida de otra de soplado, como se ilustra en la figura 7.4. El proceso se adapta a la producción de contenedores de boca ancha. En la operación de soplado se emplea un molde deslizante para la etapa de remoción. El método de soplado y soplado se utiliza para producir botellas de boca estrecha. La secuencia es similar a la precedente, excepto que se usan dos (o más) operaciones de soplado en vez de sólo prensado y soplado. Hay variantes de este proceso, lo que depende de la geometría del

v, F

Pistón Trozo de vidrio Molde 1)

2)

3)

FIGURA 7.3  Prensado de una pieza plana de vidrio: 1) se pone en el molde un trozo procedente del horno, 2) un émbolo presiona para moldearlo y 3) se retira el pistón y el producto terminado se extrae. Los símbolos v y F significan el movimiento (v = velocidad) y la fuerza aplicada, respectivamente. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

138  CAPÍTULO 7  Trabajo del vidrio

v, F Anillo del cuello (collarín)

Pistón

Entrada de aire

v

Cabeza de soplado

Parison

Trozo de vidrio Molde de la prensa

Molde de soplado

Línea de partición (molde deslizante) 3)

2)

1)

4)

FIGURA 7.4  Secuencia de formado de prensado y soplado: 1) se coloca un trozo de vidrio fundido en la cavidad del molde; 2) se presiona para formar un parison; 3) el parison formado parcialmente se transfiere sostenido del cuello por un anillo (collarín) hacia el molde de soplado, y 4) se sopla para que adquiera su forma final. Los símbolos v y F indican movimiento (v = velocidad) y fuerza aplicada, respectivamente. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

producto, y una de las secuencias posibles se muestra en la figura 7.5. En ocasiones se requiere volver a calentar entre las etapas de soplado. A veces se emplean moldes duplicados y triplicados junto con sus respectivos alimentadores de trozos de vidrio para incrementar las tasas de producción. Los métodos de prensado y soplado, y de soplado y soplado se usan para fabricar frascos, botellas para bebidas, cámaras con bombillas de luz incandescente y otros productos con geometrías parecidas. Fundición  Si el vidrio fundido tiene fluidez suficiente, puede vaciarse en un molde. Con este método se fabrican objetos relativamente grandes, como lentes y espejos astronómicos. Estas

Entrada de aire Cabezal de soplado Segundo molde de soplado Primer molde de soplado

Trozo de vidrio

Línea de partición (molde deslizante) Anillo del cuello (collarín) 1)

2)

Entrada de aire 3)

4)

5)

FIGURA 7.5  Secuencia de formado por soplado y soplado: 1) se introduce un trozo de vidrio en la cavidad del molde invertido; 2) se cubre el molde; 3) primera etapa del soplado; 4) la pieza formada parcialmente se reorienta y transfiere a un segundo molde de soplado, y 5) se sopla para dar la forma final. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

7.2  Procesos de moldeo durante el trabajado del vidrio   139

Rodillos formadores

FIGURA 7.6  Laminado de vidrio plano. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

Vidrio fundido

v Rodillos de soporte

piezas deben enfriarse muy despacio para evitar esfuerzos internos y un posible agrietamiento debido a los gradientes de temperatura que se induciría en el vidrio si no se hiciera así. Después de enfriarse y solidificarse, la pieza debe terminarse por medio del lapeado y el pulido (véase el capítulo 18). La fundición no es muy usada en el trabajo del vidrio, excepto para estas clases especiales de trabajos. El enfriamiento y agrietamiento no son los únicos problemas, sino que también el vidrio fundido es relativamente viscoso a las temperaturas normales de trabajo, y no fluye tan bien como los metales fundidos o los polímeros termoplásticos calientes a través de orificios pequeños o en secciones delgadas. Los lentes pequeños se suelen hacer por medio del prensado, que se estudió anteriormente.

7.2.2  Moldeo de vidrio plano y tubular Aquí se describen dos métodos para fabricar vidrio plano, y uno para producir tubos. Se trata de procesos continuos, con los que se elaboran secciones largas de vidrio plano para ventana o tubos de vidrio, que después se cortan al tamaño y longitudes apropiadas. Laminado de placas planas  Como se aprecia en la figura 7.6, es posible producir vidrio de

placas planas por medio de laminación. El vidrio de inicio, en la condición plástica apropiada que tiene al salir del horno, se comprime mediante rodillos opuestos cuya separación determina el espesor de la hoja. La operación de laminado por lo general se lleva a cabo de tal forma que el vidrio plano se mueve directamente hacia un horno de recocido. La hoja de vidrio laminada debe esmerilarse y pulirse después, para obtener superficies lisas y paralelas. Proceso de flotación  Este proceso fue creado a finales de la década de 1950. La ventaja que

tiene sobre otros métodos como el laminado, es que se obtienen superficies lisas que no necesitan de un acabado subsecuente. En el proceso de flotación, que se ilustra en la figura 7.7, el vidrio fluye directamente desde el horno de fusión a la superficie de un baño de estaño fundido. El vidrio altamente fluido se distribuye en forma homogénea sobre la superficie, lo que le da un espesor uniforme y una superficie lisa. Después de avanzar hacia una región más fría del baño, el vi-

Zona de enfriamiento FIGURA 7.7  Proceso de flotación para producir hojas o láminas de vidrio. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

Zona caliente (atmósfera controlada)

Al recocido v

Vidrio fundido

Rodillos de soporte

Estaño fundido

140  CAPÍTULO 7  Trabajo del vidrio

FIGURA 7.8  Estirado de tubos de vidrio con el proceso Danner. Los símbolos v y F indican movimiento (v = velocidad) y fuerza aplicada, respectivamente. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

Flujo de vidrio fundido Entrada de aire Producto tubular Mandril rotatorio

v, F Rodillos de soporte

drio se endurece y se mueve hacia un horno de recocido, después se corta al tamaño que se requiere. Estirado de tubos de vidrio  La tubería de vidrio se manufactura por un proceso de estirado

conocido como proceso Danner, que se ilustra en la figura 7.8. El vidrio fundido fluye alrededor de un mandril hueco rotatorio por el que se sopla aire mientras el vidrio se estira. La temperatura del aire y su velocidad de flujo volumétrico, así como la velocidad de estirado, determinan el diámetro y espesor de la pared de la sección transversal tubular. Durante el endurecimiento, el tubo de vidrio se apoya en una serie de rodillos que se extienden por 30 m (100 pies) más allá del mandril. Posteriormente, el tubo continuo se corta en longitudes estándar. Los productos de vidrio tubular incluyen cristalería para laboratorios, lámparas fluorescentes y termómetros.

7.2.3  Formado de fibras de vidrio Las fibras de vidrio se utilizan en aplicaciones que van desde lana aislante hasta líneas de comunicación de fibra óptica. Los productos de fibra de vidrio se dividen en dos categorías [6]: 1) vidrio fibroso para aislamiento térmico, aislamiento acústico y filtración de aire, en el que las fibras se encuentran en una condición aleatoria parecida a la de la lana, y 2) largos filamentos continuos, apropiados para plásticos reforzados con fibras, hilos y telas, y fibras ópticas. Para ambas categorías se emplean métodos de producción distintos; a continuación se describen los dos métodos, que representan cada categoría de productos, respectivamente. Aspersión centrífuga  En un proceso común para elaborar lana de vidrio, el vidrio fluye en

estado fundido hacia un contenedor rotatorio con muchos orificios pequeños alrededor de su periferia. La fuerza centrífuga ocasiona que el vidrio pase a través de dichas perforaciones para convertirse en una masa fibrosa apropiada para el aislamiento térmico y acústico. Estirado de filamentos continuos  Con este proceso, que se ilustra en la figura 7.9, se produ-

cen fibras de vidrio continuas de diámetro pequeño (el límite inferior del tamaño es alrededor de 0.0025 mm, 0.0001 pulg) mediante el estirado (jalado) en bandas de vidrio fundido a través de cientos de orificios pequeños en una placa caliente de aleación de platino. La placa tiene varios cientos de estos orificios, y cada uno origina una fibra. Las fibras individuales se juntan en una banda que se enrolla en un carrete. Antes de enrollar las fibras, se recubren con diversos productos químicos para lubricarlas y protegerlas. No son raras las velocidades de estirado cercanas a 50 m/s (10 000 pies/min) o más.

7.3  Tratamiento térmico y acabado El tratamiento térmico del producto de vidrio es la tercera etapa de la secuencia del trabajado del vidrio. Para ciertos productos se llevan a cabo operaciones adicionales de acabado.

7.3  Tratamiento térmico y acabado   141

Vidrio fundido

Placa caliente con orificios

v

Aspersión

Zapata colectora

FIGURA 7.9  Estirado de fibras de vidrio continuas. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

Travesaño, para regular la agrupación de las fibras en el carrete Carrete colector

7.3.1  Tratamiento térmico Una vez formados, los productos de vidrio por lo general tienen esfuerzos internos perjudiciales, que disminuyen su resistencia. El recocido se lleva a cabo para liberar dichos esfuerzos; por tanto, durante el trabajo del vidrio el tratamiento tiene la misma función que en el del metal (véase la sección 20.1). El recocido involucra calentar el vidrio a temperatura elevada y mantenerlo así durante cierto periodo para eliminar los esfuerzos y gradientes de temperatura, para luego enfriarlo despacio a fin de eliminar la formación de esfuerzos, y seguir con un enfriamiento más rápido a temperatura ambiente. Las temperaturas comunes del recocido son alrededor de 500 °C (900 °F). El lapso que se mantiene el producto a esa temperatura, así como las velocidades de calentamiento y enfriamiento del ciclo, dependen del espesor del vidrio; la regla habitual es que el tiempo requerido para el recocido varía con el cuadrado del espesor. El recocido en las fábricas modernas de vidrio se lleva a cabo en hornos parecidos a túneles, llamados lehrs, en los que los productos fluyen lentamente a través de la cámara caliente sobre bandas. Los quemadores se ubican sólo en el extremo frontal de la cámara, de modo que el vidrio experimente el ciclo de calentamiento y enfriamiento que se requiere. En los productos de vidrio es posible poner en práctica un patrón de esfuerzos internos benéfico, por medio de un tratamiento térmico que se conoce como templado, y el material que resulta recibe el nombre de vidrio templado. Igual que en el tratamiento del acero endurecido (véase la sección 20.2), el templado aumenta la tenacidad del vidrio. El proceso consiste en el calentamiento del vidrio a una temperatura algo superior de la del recocido, y en el rango plástico, seguido del enfriamiento rápido de las superficies, por lo general con chorros de aire. Cuando las superficies se enfrían, se contraen y endurecen mientras que el interior aún está en estado plástico y es moldeable. Conforme el vidrio interno se enfría lentamente, se contrae, lo que comprime las superficies duras. Como otros cerámicos, el vidrio es mucho más resistente cuando se somete a esfuerzos de compresión que a los de tensión. En consecuencia, el vidrio templado es mucho más resistente a ser rayado y romperse debido a los esfuerzos de compresión sobre sus superficies. Las aplicaciones de esto incluyen vidrios para ventanas de edificios altos, puertas

142  CAPÍTULO 7  Trabajo del vidrio

hechas por completo de vidrio, vidrios de seguridad y otros productos que requieren tenacidad en el vidrio. Cuando el vidrio templado falla, lo hace rompiéndose en fragmentos pequeños muy numerosos lo que hace que disminuya la probabilidad de que alguien se corte con ellos que con vidrio convencional para ventanas (recocido). Es interesante que los parabrisas de automóviles no estén hechos de vidrio templado, debido al peligro que entraña esa fragmentación para el conductor. En vez de ello se utiliza vidrio convencional; sin embargo, se fabrica con dos piezas de vidrio en medio de una hoja de polímero duro. Si se fractura este vidrio laminado, las astillas de vidrio quedan retenidas por la hoja de polímero y el parabrisas permanece relativamente transparente.

7.3.2 Acabado En ocasiones se requieren operaciones de acabado para los productos de vidrio. Estas operaciones secundarias incluyen el esmerilado, pulido y corte. Cuando se producen hojas o láminas de vidrio por medio de estirado y laminado, los lados opuestos no son necesariamente paralelos, y las superficies contienen defectos y ralladuras ocasionadas por el uso de herramientas duras sobre el vidrio suave o blando. Las hojas de vidrio deben rectificarse y pulirse para la mayoría de aplicaciones comerciales. En las operaciones de prensado y soplado, en las que se emplean dados deslizantes, es frecuente que sea requerido el quitar las marcas de uniones del contenedor del producto. En los procesos continuos del trabajado del vidrio, como la producción de placas y tubos, las secciones continuas deben cortarse en piezas más pequeñas. Esto se lleva a cabo marcando el vidrio con una rueda cortadora de vidrio o una rueda cortadora de diamante para después romper la sección a lo largo de la línea de marca. El corte se hace por lo general conforme el vidrio sale del horno lehr para recocido. Hay procesos decorativos y superficiales que se realizan sobre ciertos productos de vidrio. Estos procesos incluyen el corte mecánico y las operaciones de pulido: limpieza por chorro de arena (sand blast, en inglés), ataque químico (con ácido hidrofluorídico frecuentemente en combinación con otros compuestos químicos) y recubrimiento (por ejemplo, recubrir una placa de vidrio con aluminio o plata para producir espejos).

7.4  Consideraciones sobre el diseño del producto El vidrio posee propiedades especiales que lo hacen deseable para ciertas aplicaciones. Las recomendaciones para el diseño que a continuación se muestran, se compilaron de Bralla [1] y otras fuentes. • El vidrio es transparente y tiene ciertas propiedades ópticas que son inusuales, si no es que únicas, para los materiales de ingeniería. Para aplicaciones que requieren transparencia, transmisión de la luz, magnificación y propiedades ópticas similares es probable que el material elegido sea el vidrio. Ciertos polímeros son transparentes y pueden ser competitivos, lo que depende de los requerimientos de diseño. • El vidrio es varias veces más resistente a la compresión que a la tensión: los componentes deben diseñarse de modo que queden sujetos a fuerzas de compresión y no de tensión. • Los cerámicos, incluyendo el vidrio, son frágiles. No deben usarse partes de vidrio en aplicaciones que involucren cargas por impacto o esfuerzos altos que podrían provocar una fractura. • Ciertas composiciones de vidrio tienen un coeficiente de expansión térmica muy bajo, por lo que soportan el choque térmico. Estos vidrios se seleccionan para aplicaciones en las que esta característica es importante. • Los bordes y esquinas exteriores del vidrio deben tener radios o chaflanes grandes; de igual manera, las esquinas interiores deben tener un radio de curvatura grande. Las esquinas tanto exteriores como interiores son puntos de concentración de esfuerzos.

Preguntas de repaso   143

• A diferencia de las partes elaboradas con cerámicos tradicionales y nuevos, es posible incorporar cuerdas o roscas en el diseño de piezas de vidrio; son factibles en lo técnico con los procesos de moldeo por prensado y soplado. Sin embargo, las cuerdas deben ser robustas.

Referencias   [1] Bralla, J. G. (editor en jefe). Design for Manufacturability Handbook, 2a. ed. McGraw-Hill Book Company, Nueva York, 1998.  [2] Flinn, R. A. y Trojan, P. K. Engineering Materials and Their Applications, 5a. ed. John Wiley & Sons, Inc. Nueva York, 1995.   [3] Hlavac, J. The Technology of Glass and Ceramics. Elsevier Scientific Publishing Company, Nueva York, 1983.

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Preguntas de repaso   7.1. El vidrio se clasifica como un material cerámico, aunque es distinto de los cerámicos tradicionales y nuevos. ¿Cuál es la diferencia?   7.2. ¿Cuál es el compuesto químico predominante en casi todos los productos de vidrio?   7.3. ¿Cuáles son las tres etapas básicas de la secuencia durante el trabajado del vidrio?   7.4. Describa el proceso de centrifugado en el trabajado del vidrio.   7.5. ¿Cuál es la diferencia principal entre los procesos de prensado y soplado y el de soplado y soplado al trabajar el vidrio?

  7.6. Existen varias maneras de moldear láminas u hojas de vidrio. Mencione y describa en forma breve una de ellas.   7.7. Describa el proceso Danner.   7.8. Mencione y describa brevemente los dos procesos para formar fibras de vidrio que son discutidos en el texto.   7.9. ¿Cuál es el propósito del recocido en el trabajado del vidrio? 7.10. Describa cómo se trata térmicamente una pieza de vidrio para producir vidrio templado. 7.11. Describa el tipo de material que es común utilizar para fabricar los parabrisas de los automóviles.

8

Procesos para dar forma a los plásticos

CONTENIDO DEL CAPÍTULO 8.1 Propiedades de los polímeros fundidos 8.2 Extrusión 8.2.1 Proceso y equipo 8.2.2 Análisis de la extrusión 8.2.3 Configuraciones del dado y productos extruidos 8.2.4 Defectos de la extrusión 8.3 Producción de láminas y película 8.4 Producción de fibras y filamentos (hilado) 8.5 Procesos de recubrimiento 8.6 Moldeo por inyección 8.6.1 Proceso y equipo 8.6.2 El molde 8.6.3 Contracción y defectos en el moldeo por inyección

8.6.4 Otros procesos del moldeo por inyección   8.7 Moldeo por compresión y transferencia 8.7.1 Moldeo por compresión 8.7.2 Moldeo por transferencia   8.8 Moldeo por soplado y moldeo rotacional 8.8.1 Moldeo por soplado 8.8.2 Moldeo rotacional  8.9 Termoformado 8.10 Fundición 8.11 Procesamiento y formado de espuma de polímero 8.12 Consideraciones sobre el diseño del producto

Los plásticos pueden conformarse en una variedad amplia de productos, como piezas moldeadas, secciones extruidas, películas y láminas, recubrimientos para aislar alambres eléctricos y fibras para textiles. Además, es frecuente que los plásticos sean el ingrediente principal de otros materiales, como pinturas y barnices; adhesivos, y varios compósitos de matriz de polímero. En este capítulo se estudian las tecnologías mediante las cuales estos productos reciben su forma, y se deja para capítulos posteriores el análisis de pinturas y barnices, adhesivos, y compósitos. Muchos procesos para darles geometría a los plásticos se adaptan a los hules y a los compósitos de matriz polimérica (capítulo 9). La relevancia comercial y tecnológica de estos procesos para dar geometría se deriva de la creciente importancia de los plásticos, cuyas aplicaciones se han incrementado a una tasa mucho más rápida que la de los metales o los cerámicos. La realidad es que muchas piezas que antes se hacían de metales, hoy se elaboran con plásticos y compósitos de plástico. Lo mismo ha ocurrido con el vidrio; los contenedores de plástico han sustituido ampliamente a las botellas de vidrio y jarras en el empaque de productos. El volumen total de los polímeros (plásticos y cauchos) excede hoy día el de los metales. Es posible identificar varias razones por las que son importantes los procesos para dar forma geométrica a los plásticos: • La variedad de los procesos para dar forma, y la facilidad con que se procesan los polímeros, permite una diversidad casi ilimitada de geometrías de las piezas a formar. • Muchas piezas de plástico se forman o generan su geometría por moldeo, que es un proceso de forma neta o total. Por lo general no se necesita una conformación adicional. • Aunque generalmente se requiere calentamiento para formar los plásticos, se necesita menos energía que para los metales porque las temperaturas de procesamiento son mucho menores. • Debido a que en el procesamiento se emplean temperaturas menores, el manejo del producto se simplifica durante la producción. Debido a que muchos métodos para procesar plástico

8.1  Propiedades de los polímeros fundidos   145

son operaciones de un solo paso (por ejemplo, moldeo), la cantidad de manejo del producto que se requiere se reduce de manera sustancial en comparación con los metales. • No se requiere dar a los plásticos acabados con pintura o recubrimientos (excepto en circunstancias inusuales). Como se estudió en la sección 2.3, los dos tipos de plásticos (polímeros) son los termoplásticos y los termofijos. La diferencia está en que los termofijos pasan por un proceso de cura durante el calentamiento y la conformación o generación de geometría, lo que ocasiona un cambio químico permanente (enlazamiento cruzado) en su estructura molecular. Una vez curados, no pueden fundirse si se vuelven a calentar. Por el contrario, los termoplásticos no se curan, y su estructura química permanece, en lo básico, sin cambios si se recalientan, aun cuando se transformen de sólido a fluido. De los dos tipos, los termoplásticos son, por mucho, el tipo de mayor importancia comercial, y comprenden más de 80% del peso total de los plásticos. Los procesos para dar forma a los plásticos se clasifican de acuerdo con la forma geométrica del producto resultante de la manera siguiente: 1) productos extruidos continuos con sección transversal constante distinta de las láminas, películas y filamentos; 2) láminas y películas continuas; 3) filamentos continuos (fibras); 4) piezas moldeadas que son, sobre todo, sólidas; 5) piezas moldeadas huecas con paredes relativamente delgadas; 6) piezas específicas hechas de láminas y películas formadas; 7) fundidos, y 8) productos espumados. En este capítulo se estudiará cada una de estas categorías. Los procesos más importantes en el comercio son aquéllos asociados con los termoplásticos; los dos procesos de moldeo de mayor significancia son por extrusión y por inyección. Se comienza el estudio por medio del análisis de las propiedades de los polímeros fundidos, porque casi todos los procesos para dar una forma geométrica a los termoplásticos comparten la etapa común de calentar el plástico de modo que fluya.

8.1  Propiedades de los polímeros fundidos Para dar la forma geométrica a un polímero termoplástico éste debe calentarse de modo que se suavice hasta adquirir la consistencia de un líquido. Esta forma se denomina polímero fundido, y tiene varias propiedades singulares; dos de ellas se estudian en esta sección: viscosidad y viscoelasticidad.

FIGURA 8.1  Relaciones de viscosidad para un fluido newtoniano y un polímero fundido común. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

Viscosidad, η

Viscosidad  Debido a su alto peso molecular, un polímero fundido es un fluido espeso con viscosidad elevada. Tal como se definió el término en la sección 3.4, la viscosidad es una propiedad de los fluidos que relaciona la fuerza de corte que se experimenta durante el flujo del fluido a la velocidad de corte dada. La viscosidad es importante en el procesamiento de polímeros porque la mayoría de métodos para dar forma involucran el flujo del polímero fundido a través de canales pequeños o aberturas del dado. Es frecuente que las velocidades de flujo sean altas, lo que genera velocidades elevadas de corte; y los esfuerzos de corte (o cortante) aumentan con la velocidad de corte, por lo que se requieren presiones significativas para efectuar los procesos. En la figura 8.1 se muestra la viscosidad como función de la velocidad de corte para dos tipos de fluidos. Para un fluido newtoniano (que incluye la mayor parte de fluidos simples, como agua

Fluido seudoplástico

Fluido newtoniano . Velocidad de corte γ

SectionSection 8.1/Properties of Polymer Melts Melts 151 Section 8.1/Properties 8.1/Properties of ofPolymer Polymer Melts

146  CAPÍTULO 8  Procesos para dar forma a los plásticos

151 151

constant at a la given it does not change with rate. The constant at at aatemperature; given givenestemperature; temperature; itit does does not not change change with with shear shear rate. rate. The The relationship relationship y constant aceite) viscosidad constante a una temperatura dada;shear no cambia con larelationship velocidad de corte. between shear stress and shear strain is proportional, with viscosity as the constant of between between shear shear stress stress and and shear shear strain strain is is proportional, proportional, with with viscosity viscosity as as the the constant of of La relación entre el esfuerzo de corte y la deformación de corte es proporcional, con laconstant viscosidad proportionality: proportionality: proportionality: como constante de proporcionalidad: t tt t ¼ hg_ tt¼ or (8.1) (8.1) or (8.1) ¼hhg_g_h  ¼ or hh¼¼ (8.1) o  g_ g_g_



2 2 222 2 2coefficient 2); h ¼22); of shear Ns/m ,Ns/m orNs/m Pa-s wheredonde twhere ¼ τshear Pa (lb/in ); hhη¼¼ coefficient of ofviscosity, shear shear viscosity, viscosity, Ns/m , , or or Pa-s where ttesfuerzo ¼¼stress, shear stress, Pa shearde stress, Pa);(lb/in (lb/in = corte, Pa (lb/pulg =coefficient coeficiente de viscosidad de corte, , oPa-s Pas 2 2 2 2g 2); ); _ and ); and ¼ shear 1/s (1/sec). However, for apara polymer melt,fundido, viscosity (lb-sec/in (lb-s/pulg = velocidad de corte, 1/s (1/s). Sin embargo, unapolímero laviscosity visco); and g_g_ ¼¼rate, shear shear rate, rate, 1/s 1/s (1/sec). (1/sec). However, However, for for a polymer polymer melt, melt, viscosity (lb-sec/in (lb-sec/in decreases with shear indicating that the fluid becomes thinner at higher rates ofrates sidad decrece con rate, la velocidad de corte, lothat que indica quebecomes el fluido se vuelve más delgado a vedecreases decreases with with shear shear rate, rate, indicating indicating that the the fluid fluid becomes thinner thinner at at higher higher rates of of shear.locidades This behavior is called pseudoplasticity and can be modeled to a reasonable más behavior altas de corte. Este comportamiento seand llama seudoplasticidad, modela la shear. shear. This This behavior isis called called pseudoplasticity pseudoplasticity and can can be be modeled modeled to toyalo a reasonable reasonable approximation by the by expression expresión siguiente con una aproximación razonable: approximation approximation by the the expression expression

n _tt¼ t ¼ kðgÞ (8.2) (8.2) _gÞ _ nnn (8.2) ¼kð kðgÞ (8.2)



wheredonde kwhere ¼ ak constant corresponding to the viscosity coefficient and yn n¼ where kk¼ ¼aaconstant constant corresponding to tothe theviscosity viscosity coefficient coefficient and and nn¼behavior ¼flow flow behavior behavior = constante que corresponding corresponde al coeficiente de viscosidad, =flow índice de comportaindex.miento For n del ¼For 1,flujo. the equation reduces to the previous Eq. (8.1) for a Newtonian fluid, and index. index. For nn¼¼ 1, 1, the the equation equation reduces reduces to to the the previous previous Eq. Eq. (8.1) (8.1) for for a a Newtonian Newtonian fluid, fluid, and Para n = 1, la ecuación se reduce a la (8.1) para un fluido newtoniano, y la kand se k becomes h. For a polymer melt, values of n are less than 1. k k becomes becomes h. h. For For a a polymer polymer melt, melt, values values of of n n are are less less than than 1. 1. convierte en η. Para un polímero fundido, los valores de n son menores que 1. In addition to effect shear rate (fluid flow rate), of polymer melt is melt In Inaddition addition to tothe the effect effect of of shear shear rate rate (fluid (fluid flow flowviscosity rate), rate), viscosity viscosity of ofaapolymer melt isis Además delthe efecto de of la velocidad de corte (velocidad de flujo delafluido), lapolymer viscosidad de also affected by temperature. Like most fluids, the value decreases with increasing also also affected affected by by temperature. temperature. Like Like most most fluids, fluids, the the value value decreases decreases with with increasing increasing un polímero fundido también se ve afectada por la temperatura. Como ocurre con la mayoría temperature. This iselThis shown in Figure 8.2 for several common polymers at ase shear temperature. This shown shown in inFigure Figure 8.2 8.2for forseveral several common common polymers polymers at ataarate shear shear rate of of detemperature. los fluidos, valorisisdisminuye con el aumento de la temperatura. Esto ilustra enof larate figura 333 –1 –1 –1 is approximately the same as the rates encountered in injection 3 –1 , which molding 103 s–1 s s , , which which is is approximately approximately the the same same as as the the rates rates encountered encountered in in injection injection molding molding 10 10 8.2 para varios polímeros comunes a la misma velocidad de corte de 10 s , que es aproximadaand high-speed extrusion. Thus, encontradas we seewe that the viscosity ofinyección a polymer decreases and andhigh-speed high-speed extrusion. extrusion. Thus, Thus, we see see that the theviscosity viscosity of ofaaypolymer polymer melt meltdecreases decreases mente igual a las velocidades en elthat moldeo por enmelt operaciones de extruwith increasing values of shear rate and temperature. Eq. (8.2) could be applied, except with with increasing increasing values values of of shear shear rate rate and and temperature. temperature. Eq. Eq. (8.2) (8.2) could could be be applied, applied, except except sión de alta velocidad. Así, se observa que la viscosidad de un polímero fundido disminuye con that kvalores depends on temperature as shown in Figure 8.2. that thatkkcrecientes depends dependsde on onvelocidad temperature temperature as asshown in inFigure Figure8.2. 8.2. aplicarse la ecuación (8.2), exde corte yshown de temperatura. Puede cepto que k depende de la temperatura, como se muestra en la figura 8.2. Viscoelasticity The second property of interest here ishere viscoelasticity. We discussed Viscoelasticity Viscoelasticity The Thesecond second property property of ofinterest interest here isisviscoelasticity. viscoelasticity. We Wediscussed discussed Viscoelasticidad  La segunda propiedad de interés aquí es la viscoelasticidad. Esta propiedad this property in the context of solid polymers in Section 3.5. However, polymer melts melts this thisproperty propertyin inthe thecontext contextof ofsolid solidpolymers polymersin inSection Section3.5. 3.5.However, However,polymer polymer melts se estudió en el contexto de polímeros sólidos, en la sección 3.5. Sin embargo, también la tienen exhibitexhibit it also. itA goodA example is die swell inswell extrusion, in which hotthe plastic expands exhibit italso. also. A good goodexample example isisdie die swell in inextrusion, extrusion, in inthe which which the hot hotplastic plasticexpands expands los polímeros líquidos. Un buen ejemplo es la dilatación del dado en la extrusión, en que el pláswhen exiting the diethe opening. The phenomenon, illustrated in Figure 8.3, can becan when when exiting exiting the die die opening. opening. The The phenomenon, phenomenon, illustrated illustrated in in Figure Figure 8.3, 8.3, can be be tico caliente se expande conforme sale de la abertura del dado. El fenómeno, que se ilustra en la explained by noting that the polymer was contained in a much larger cross section explained explained by by noting noting that that the the polymer polymer was was contained contained in in aa much much larger larger cross cross section section figura 8.3, se explica si se observa que el polímero estaba contenido en una sección transversal before before entering the narrow die channel. In effect, extruded material ‘‘remembers’’ its beforeentering entering the thenarrow narrow die diechannel. channel. In Inthe effect, effect, the theextruded extruded material material ‘‘remembers’’ ‘‘remembers’’ its its mucho más grande antes de ingresar al estrecho canal del dado. En efecto, el material extruido formerformer shape and attempts to return to it after the diethe orifice. More former shape shape and andattempts attempts to toreturn return to toitleaving itafter afterleaving leaving the die dieorifice. orifice.technically, More Moretechnically, technically, “recuerda” su forma y trata de regresar a ella después de dejar el orificio del dado. En palabras más técnicas, los esfuerzos de compresión que actúan sobre el material conforme ingresa a la

rización de John Wiley & Sons, Inc.)

103

102

10

Acrílico

100 Viscosidad, lb-s/pulg2

FIGUREFIGURE 8.2 Viscosity FIGURE 8.2 8.2 Viscosity Viscosity as a function of as asaafunction function of of temperatures for temperatures temperatures for for FIGURA 8.2  La viscosiselected polymers at a at selected selected polymers polymers ataa dad como 3función las –1 3de 33 –1 –1 –1 shear rate of rate 10 sof .10 Data shear shear rate of 10 s s . .Data Data temperaturas para polímecompiled from [12]. compiled compiled from from[12]. ros seleccionados a[12]. una (Credit:velocidad Fundamentals (Credit: (Credit: Fundamentals Fundamentals de corte of de 103s–1of .of ModernDatos Manufacturing, Modern Modern Manufacturing, Manufacturing, recopilados de [12]. thby Mikell P. 4th Edition 44thth Edition Edition by byMikell MikellP.P. (Crédito: Fundamentals of Groover, 2010.Manufacturing, Reprinted Groover, Groover, 2010. 2010.Reprinted Reprinted Modern 4a. with permission of John with with permission of ofJohn John ed., depermission Mikell P. Groover, Wiley &2010. Sons, Inc.) Wiley Wiley && Sons, Sons,Inc.) Inc.) Reimpreso con auto-

Viscosidad, Ns/m2 o Pas

104

10–1

10–2

300

150

Polipropileno

Nylon

Polietileno de baja densidad 350

400 450 550 Temperatura, °F 200 250 Temperatura, °C

550

300

600

152

8.2 Extrusión  147

Chapter 8/Shaping Processes for Plastics

FIGURA 8.3  Expansión FIGURE 8.3 Die swell, a del dado, una manifestación manifestation of de la viscoelasticidad en viscoelasticity in polymer polímeros fundidos, como melts, as depicted se aprecia aquí al salirhere de unon exiting an extrusion die. dado de extrusión. (Crédito: (Credit: Fundamentals Fundamentals of Modern of Flujo del polímero Modern Manufacturing, Manufacturing, 4a. ed., de th 4 Edition by Mikell Mikell P. Groover, 2010.P. Groover, 2010. Reprinted Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.) with permission of John

Dado Extruido

v

Dd Dx

Wiley & Sons, Inc.)

the compressive on de theinmediato. material as it enters the small die openingsale do del not abertura pequeña delstresses dado noacting se relajan Cuando el material posteriormente relax immediately. When the material subsequently exits the orifice and the restriction orificio y la restricción es eliminada, los esfuerzos no relajados provocan que la sección transver-is the unrelaxed stresses cause the cross section to expand. salremoved, se expanda. Die swelldel can be most easily measured for apara circular cross section by means ofpor the La dilatación dado se mide con mayor facilidad una sección transversal circular, swell ratio, defined as medio de la razón de dilatación, que se define como

rs ¼

Dx Dd

(8.3) (8.3)

donde rs = de ratio; expansión; de extruded la sección cross transversal extruida, mmand (pulg), ¼ swell Dx ¼Ddiameter of the section, mm (in); Dd y¼ where rs razón x = diámetro Dddiameter = diámetro del dado, La cantidad de swell dilatación del dado depende of del the orificio die orifice, mm mm (in).(pulg). The amount of die depends on the time del the tiempo que el polímero pasachannel. en el canal del dado.the Al incrementarse el tiempo el canal, polymer melt spendsfundido in the die Increasing time in the channel, byen means of a porlonger mediochannel, de uno dereduces mayor longitud, se reduce la expansión del dado. die swell.

8.2 Extrusión 8.2 EXTRUSION La extrusión es uno de los procesos fundamentales para dar la forma geométrica a los metales y Extrusion is one of the fundamental shaping processes, for metals and ceramics as well as los cerámicos, así como a los polímeros. La extrusión es un proceso de compresión en donde el polymers. Extrusion is a compression process in which material is forced to flow through material es forzado a fluir a través de un orificio practicado en un dado a fin de obtener un proa die orifice to provide long continuous product whose cross-sectional shape is deterducto largo y continuo, cuya sección transversal adquiere la forma determinada por la del orifimined by the shape of the orifice. As a polymer-shaping process, it is widely used for cio. Como proceso para dar forma a polímeros, se emplea mucho para termoplásticos y elastómethermoplastics and elastomers (but rarely for thermosets) to mass-produce items such as ros (rara vez para termofijos) para producir en masa artículos como tuberías, ductos, mangueras tubing, pipes, hose, structural shapes (such as window and door molding), sheet and film, y formas estructurales (como molduras para ventanas y puertas), láminas y películas, filamentos continuous filaments, and coated electrical wire and cable. For these types of products, continuos, y recubrimientos para alambres y cables eléctricos. Para estos tipos de productos, la extrusion is carried out as a continuous process; the extrudate (extruded product) is extrusión se lleva a cabo como proceso continuo; el extruido (producto extruido) se corta después subsequently cut into desired lengths. This section covers the basic extrusion process, and con las longitudes deseadas. En esta sección se estudia el proceso básico de extrusión, y en varias the following three sections examine processes based on extrusion. de las posteriores se examinan procesos que se basan en ésta.

8.2.1  Proceso AND y equipo 8.2.1 PROCESS EQUIPMENT EnInlapolymer extrusiónextrusion, de polímeros se alimenta material en forma de is partículas en inglés) o feedstock in pellet or powder form fed into(pellets an extrusion barrel polvo hacia dentro de un cilindro extrusión donde se by calienta y funwhere it is heated and melteddeand forced(también to flow llamado throughbarril), a die opening means of a derotating y se le fuerza que fluya ain través de la abertura de main un dado por medio of de the un tornillo girascrew,para as illustrated Figure 8.4. The two components extruder are torio como ilustraThe en ladie figura 8.4.aLos dos componentes principales the(gusano), barrel and thesescrew. is not component of the extruder; it del is aextrusor special son tool el that cilindro y el El dado no esparticular un componente es una herramienta especial must betornillo. fabricated for the profiledel to extrusor; be produced. que debeThe fabricarse para el perfil particular que se va a producir. internal diameter of the extruder barrel typically ranges from 25 to 150 mm Esto común que el diámetro interno del cilindro del extrusor varíe entre 25 yusually 150 mm (1.0 a (1.0 6.0 in). The barrel is long relative to its diameter, with L/D ratios between 6.010pulg). El cilindro largoisenreduced relaciónincon su diámetro, con razones L/D que, por lo general, and 30. The L/Desratio Figure 8.4 for clarity of drawing. The higher ratios están entre 10 y 30. Para mayor claridad del dibujo, en la figura 8.4 está reducida la razón L/D. Las razones más altas se emplean para materiales termoplásticos, en tanto que los valores L/D

148  CAPÍTULO 8  Procesos para dar forma a los plásticos

Tolva Partículas de plástico (pellets) Calentadores

Polímero fundido Tornillo

Placa rompedora Cilindro

Dado Extruido

v Sección de alimentación

Sección de compresión

Sección de dosificadora

FIGURA 8.4  Componentes y características de un extrusor (de un solo tornillo) para plásticos y elastómeros. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

más bajos son para los elastómeros. En el extremo del cilindro opuesto al dado se localiza una tolva que contiene el material que se alimenta. Las partículas se alimentan por gravedad al tornillo giratorio, cuya rosca mueve al material a lo largo del cilindro. Se utilizan calentadores eléctricos para fundir al inicio las partículas (pellets) sólidas; después, la mezcla y el trabajo mecánico del material generarán calor adicional, lo que mantiene fundido al material. En ciertos casos, el calor suministrado a través de la mezcla y acción cortante es suficiente de modo que no se requiere un calentamiento externo. En realidad, en ciertos casos el cilindro debe enfriarse desde el exterior para impedir el sobrecalentamiento del polímero. El material se hace avanzar a lo largo del cilindro hacia la abertura del dado, por medio de la acción del tornillo extrusor, que gira a unas 60 rev/min. El tornillo tiene varias funciones y se divide en secciones que son: 1) sección de alimentación, en la que el material se mueve de la entrada de la tolva y recibe precalentamiento; 2) sección de compresión, en la que el polímero se transforma para adquirir consistencia líquida, se extrae del fundido el aire atrapado entre las partículas y se comprime al material, y 3) sección de dosificación, en la que se homogeniza al fundido y se genera presión suficiente para bombearlo a través de la abertura del dado. La operación del tornillo está determinada por su forma geométrica y velocidad de rotación. En la figura 8.5 se ilustra la forma común de un tornillo extrusor. El tornillo consiste en “paletas” (hélices o cuerdas) en forma de espiral, con canales entre ellas por los que avanza el polímero

Cilindro Tornillo

Paso p

Dirección de flujo del material fundido

A D FIGURA 8.5  Detalles de un tornillo extrusor dentro del cilindro. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

dc

Canal wc

wf

Paleta o hélice

154

Chapter 8/Shaping Processes for Plastics 8.2 Extrusión  149

‘‘flights’’ (threads) with channels between them through which the polymer melt is and depth ddc..As the screw rotates, the flights push the moved.El The channel hasancho a width fundido. canal tiene un wc w y cprofundidad c Conforme gira el tornillo, las cuerdas emmaterial forward through the channel from the hopper enddeoflathe barrel toward the die. pujan al material hacia delante a través del canal, del extremo tolva del cilindro al dado. Although not discernible in the diagram, the flight diameter is smaller than the barrel Aunque en el diagrama no se distingue, el diámetro de la hélice o paleta es menor que el del cidiameter D by verymuy small clearance—around 0.05 mm mm (0.002 (0.002 pulg). in). ItsSufunction limit lindro, D, por un aclaro pequeño, alrededor de 0.05 funciónisestolimitar and leakage of the melt backward to the trailing channel. The flight land has a width w f la fuga del fundido hacia atrás a través del canal conductor. La paleta o hélice tiene un ancho wisf made of hardened steel to resist wear as it turns and rubs against the inside of the barrel. y está hecha de acero endurecido a fin de que resista el uso cuando gira y presiona contra el inteThedel screw has aElpitch whose is usually closepor to the diameter D. Thealflight angle AD. is rior cilindro. tornillo tienevalue un paso cuyo valor, lo general, se acerca del diámetro helixdeangle of the can be the relation Elthe ángulo la paleta, A, screw es el deand la hélice deldetermined tornillo, y sefrom determina con la relación

tan A ¼

p pD

(8.4) (8.4)

1 1 wherep = p¼ pitch the screw. donde paso del of tornillo. The increase appliedaltopolímero the polymer melt in the sections of the El incremento de in la pressure presión aplicada fundido en las tres three secciones del cilindro . In Figure 8.4, d is relatively large in barrel is determined largely by the channel depth d c c está determinado en gran parte por la profundidad del canal, dc. En la figura 8.4, dc es relativathe feed section to allow large amounts of granular polymer to be admitted into the mente grande en la sección de alimentación para permitir la entrada de cantidades importantes de gradually dreduced, thus applying increased barrel. In the compression dcdeis compresión polímero granular al cilindro. Ensection, la sección c se reduce en forma gradual, con lo is smalldeand pressure pressure on the polymer as it melts. In the metering section, que se aplica presión mayor sobre el polímero conforme se funde. En dlac sección medición, dc reaches a maximum as flow is restrained at the die end of the barrel. The three sections of se reduce y la presión alcanza un máximo cuando se restringe el flujo en el extremo del dado del the screw as being aboutseequal in length in Figure 8.4; si this is appropriate for a cilindro. Lasare tresshown secciones del tornillo ilustran en la figura 8.4 como tuvieran longitud igual; polymer that melts gradually, such as low-density polyethylene (LDPE). For other esto es apropiado para un polímero que se funde gradualmente, como un polietileno de baja denpolymers, lengthsPara areotros different. For las crystalline polymers such as sidad (LDPE,the Lowoptimal Densitysection PolyEthylene). polímeros, longitudes óptimas son difenylon, melting occurs rather abruptly at a specific melting point, and therefore a short rentes. Para polímeros cristalinos como el nylon, la fusión ocurre en forma abrupta en su punto compression section is ello appropriate. Amorphous polymers such as específico de fusión, y por es apropiado que la sección de compresión seapolyvinylchloride corta. Los políme(PVC) melt more slowly than LDPE, and the compression zone for these materials must ros amorfos como el cloruro de polivinilo (PVC, Poly Vinyl Chloride), se funden con mayor take almost entire of compresión the screw. Although optimal debe screwcubrir design fortoda each lentitud que elthe LDPE, y lalength zona de para dichosthe materiales casi la materialdeltype is different, it diseño is common to use general-purpose screws. These longitud tornillo. Aunque el óptimopractice del tornillo es distinto para cada tipo de material, a compromise thegeneral. different materials, they avoid need esdesigns prácticarepresent común usar tornillos de among propósito Estos diseños and representan unathe solución to make frequent screw changes, which result lainnecesidad costly equipment downtime. intermedia entre los diferentes materiales, y evitan de hacer cambios frecuentes de of the polymer along costosa the barrel leads ultimately tornillo,Progress lo que resultaría en una pérdida del tiempo del equipo.to the die zone. Before reaching thedel die, the melt passes a hace screen pack—a series of wire meshes El avance polímero a lo largo delthrough cilindro lo llegar en última instancia a la zona del supported byllegar a stiff plateel(called breaker plate) containing small una axial holes. The dado. Antes de al dado, fundidoapasa a través del paquete de filtrado, serie de mallas oscreen cribas pack de alambre sostenidas portouna (llamada and placa rompedora) quethe contiene assembly functions (1)placa filterrígida contaminants hard lumps from melt; orificios axiales pequeños. paquetesection; de filtrado 1) filtrar contaminantes y grumos (2) build pressure in the El metering andsirve (3) para straighten thelos flow of the polymer melt duros del fundido; 2) generar presión en la sección deimposed medición,byy the 3) forzar flujolast del function polímero and remove its ‘‘memory’’ of the circular motion screw.alThis fundido y borrar de the su “memoria” el movimiento circularifimpuesto elleft tornillo. Esta última is concerned with polymer’s viscoelastic property; the flow por were unstraightened, función tiene que ver con propiedad viscoelástica delinside polímero; el flujo no se enderezara, el the polymer would playlaback its history of turning the si extrusion chamber, tending polímero su historia de girar dentro de la cámara de extrusión, y tendería a girar y disto twist repetiría and distort the extrudate. torsionar el extruido.

8.2.2 OFla EXTRUSION 8.2.2  ANALYSIS Análisis de extrusión In this section, we develop mathematical models to describe, in a simplified way, several En esta sección se desarrollan modelos matemáticos para describir, en forma simplificada, varios aspects of polymer extrusion. aspectos de la extrusión de polímeros. Flujo el extrusor  el tornillo girainside dentrothe del barrel, cilindro,the el polímero Meltfundido Flow inenthe Extruder Conforme As the screw rotates polymer fundido melt is

seforced ve forzado a moverse delante, en dirección deloperates dado; el sistema opera forma muy to move forwardhacia toward the die; the system much like an en Archimedian parecida a un tornillo de Arquímedes. El mecanismo principal de transporte es el flujo arrasscrew. The principal transport mechanism is drag flow, resulting from frictionpor between tre, que resulta de la fricción entre el líquido viscoso y las dos superficies opuestas que se mueven the viscous liquid and two opposing surfaces moving relative to each other: (1) the una respecto de la otra; 1) el cilindro estacionario y 2) el canal del tornillo giratorio. El arreglo se asemeja al movimiento de fluido que ocurre entre una placa estacionaria y una móvil, a las que 1 Unfortunately, p is the natural symbol to use for two variables in this chapter. It represents the screw pitch here and in several other chapters. We use the same symbol p for pressure later in the chapter.

1 Desafortunadamente, p es el símbolo natural que se usa en este capítulo para dos variables. Representa el paso del tornillo, aquí y en otros capítulos. Más adelante, en este capítulo, se usa el mismo símbolo, p, para la presión.

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Section 8.2/Extrusion 155 Section 8.2/Extrusion 155 150  CAPÍTULO 8  Procesos para dar forma a los plásticos Section 8.2/Extrusion 155 Section 8.2/Extrusion 155 stationary barrel and (2) the channel of the turning screw. The arrangement can be Section 8.2/Extrusion 155 likened to barrel the fluid occurs between a stationary plate and a movingcan plate Section 8.2/Extrusion 155 stationary andflow (2) that the channel of the turning screw. The arrangement be Section 8.2/Extrusion 155 Section 8.2/Extrusion 155 stationary barrel and (2) the channel of the turning screw. The arrangement can be separa un líquido viscoso, como se ilustra en la figura 3.17. Dado que la placa móvil tiene una separated bythe a viscous liquid, as illustrated in Figure 3.17. Given that the moving plate has likened tobarrel fluid that occurs between a stationary plate and a moving stationary and flow (2) the channel of the turning screw. The arrangement canplate be

the fluid flow that occurs between avelocity stationary plate and a moving plate velocidad v,tose puede pensar que la velocidad promedio del fluido v/2, lo que da por resultado alikened velocity v, ita fluid can be reasoned that the average of es the fluid is v/2, resulting a separated by viscous liquid, asoccurs illustrated inthe Figure 3.17. Given that the plate has stationary barrel and (2) the channel of the turning screw. The arrangement canin be likened to the flow that between aturning stationary plate and amoving moving plate stationary barrel and (2) the channel of screw. The arrangement can be stationary barrel and (2) the channel of the turning screw. The arrangement can be barrel and (2) the channel of the turning screw. The arrangement can be separated by a viscous liquid, as illustrated in Figure 3.17. Given that the moving plate has lastationary velocidad de flujo volumétrico de volume flow rate of a velocity v, it can be reasoned that the average velocity of the fluid is v/2, resulting in a likened to the fluid flow that occurs between a stationary plate and a moving plate separated by a viscous liquid, as illustrated in Figure 3.17. Given that the moving plate has likened to the fluid flow that occurs between a stationary plate and a moving plate likened fluidbe flow that occurs occurs between stationary plate and moving plate likened toto the flow that between stationary plate and aa moving plate a velocity v,the it fluid can reasoned that the averageaavelocity of the fluid is v/2, resulting in a volume flow of reasoned separated by aviscous viscous liquid, as illustrated in Figure 3.17. Given that the moving plate has aseparated velocity v,by itarate can be that the average velocity of the fluid is v/2, resulting in a separated by a viscous liquid, as illustrated in Figure 3.17. Given that the moving plate has liquid,asasillustrated illustratedininFigure Figure3.17. 3.17.Given Giventhat thatthe themoving movingplate platehas has by a viscous volume flow rate of liquid, separated (8.5) ¼ 0:5vdw Qd average avelocity velocity v,rate itcan can bereasoned reasonedthat thatthe the velocity ofthe thefluid fluidisisisv/2, v/2,resulting resulting(8.5) inaaa volume flow ofbe a velocity v, it can be reasoned that the average velocity of the fluid v/2, resulting in a v, it average velocity of in a velocity v, it can be reasoned that theQaverage velocity of the fluid is v/2, resulting in a ¼ 0:5vdw (8.5) d volume flow rate of volumeflow flowrate rateofof of volume flow rate 3 d ¼ 0:5vdw 3 Q (8.5) 3/s (pulg3/s); v = velocidad de volume donde QdQ= la velocidad de flujo volumétrico por arrastre, m la ¼ volume drag flow rate, m /s (in /sec.); v ¼ velocity of the moving plate, m/s where Qd ¼ 0:5vdw (8.5) d 3 separa 3 las dos placas, m (pulg), y w = el ancho de placa móvil, m/s (pulg/s); d = distancia que (in/sec.); d ¼ distance separating the two plates, m (in); and w ¼ the width of the plates /sdd¼ (in /sec.); v ¼ velocity of the moving plate,(8.5) m/s where Qd ¼ volume drag flow rate, mQQ ¼0:5vdw 0:5vdw (8.5) ¼ (8.5) 3Q 30:5vdw d¼(in Q 0:5vdw (8.5) drag flow rate,de m v(pulg). ¼ velocity of the moving with plate, m/s where Qd ¼ volume 3la 3 /sec.); d/s las placas a separating la flow dirección velocidad, m Estos parámetros comparan perpendicular to velocity direction, m (in). These can compared those (in/sec.); d¼ distance two m and wof ¼be the width se ofplate, the plates ¼ volume drag rate,the m /s (inplates, /sec.);parameters v (in); ¼ velocity the moving m/s where Qdperpendicular (in/sec.); den ¼eldistance separating the two m (in);rotatorio andthe w stationary ¼lathe width of the plates 3 plates, 3extrusion con aquéllos canal definidos por el tornillo de extrusión superficie cilindro 3(in). 333/sec.); in the Q channel defined bydirection, the rotating and barrel surface. perpendicular to velocity m These parameters bethe compared with those ¼volume volume drag flow rate, /splates, (in /sec.); v¼¼ ¼velocity velocity of the moving plate, m/s where Q (in/sec.); dddd¼ ¼¼ distance separating the two mscrew (in); and wcan ¼yof the width of del the plates volume drag flow rate, m /s (in v¼ velocity of the moving plate, m/s where Q 3m 3 drag flow rate, m /s (in /sec.); v moving plate, m/s where ¼ volume drag flow rate, m /s (in /sec.); v velocity of the moving plate, m/s where Q perpendicular to velocity direction, m (in). These parameters can be compared with those d estacionario. in the channel defined by the rotating extrusion screw and the stationary barrel surface. (in/sec.); d ¼ distance separating the two plates, m (in); and w ¼ the width of the plates perpendicular to velocity direction, m (in). These parameters can be compared with those (in/sec.); d ¼ distance separating the two plates, m (in); and w ¼ the width of the plates (in/sec.); distance separating thetwo two plates,mm (in);and andthe thewidth widthbarrel thesurface. plates (in/sec.); dd¼¼distance separating the plates, (in); ww¼¼ the ofofthe plates in the channel defined by the rotating extrusion screw stationary vextrusion ¼ pDN cos A (8.6) perpendicular tovelocity velocity direction, m (in). These parameters can becompared compared with those inperpendicular the channel defined by the rotating screw and thecan stationary barrelwith surface. perpendicular to velocity direction, (in). These parameters can be compared with those to direction, mm (in). These parameters be those perpendicular to velocity direction, m (in). These parameters can be compared with those v ¼ pDN cos A (8.6) in (8.6) in the channel defined by the rotating extrusion screw and the stationary barrel surface. the channel defined by the rotating extrusion screw and the stationary barrel surface. thechannel channeldefined definedby bythe therotating rotatingvextrusion extrusion screw ¼ pDN A and the stationary barrel surface. (8.6) (8.7) d ¼ dcos cscrew ininthe v ¼ pDN cos A and the stationary barrel surface. (8.6) (8.7) d ¼ d c v ¼pDN pDN cos A (8.6) pDN (8.6) (8.7) (8.7) d ¼ tan dcos ðpD A � wf Þ cos A (8.8) and w ¼ w AA (8.6) ccos vvcv¼¼¼pDN A (8.6) (8.7) d ¼ dcos c tan A � w Þ cos A (8.8) and w ¼ wc ¼ ðpD (8.7) d¼¼ ¼dtan (8.7) ddcc A � wff Þ cos A (8.8) and w ¼ m w ¼dðpD (8.7) dd¼ (8.7) d¼ ¼ screw Ntan speed, rev/s; d c c screw where D ¼ screw flight diameter, y w ¼ wc c¼(in); (8.8) ðpD A � wrotational Þ cos A (8.8) and c f ¼ screw width, m�� (in); Acos ¼AA flight angle; anddwf¼¼screw flight channel m (in); where Ddepth, ¼ screw flightwdiameter, m N ¼ screw rotational rev/s; ¼ðpD ðpD tan A � w cos A speed, (8.8) and w ¼channel wcc(in); cand ðpD tan w ÞÞcos (8.8) and w ¼¼ tan AA (8.8) ðpD A � wwfrotational Þf fÞfcos A speed, rev/s; dcc ¼ (8.8) and www¼¼¼ww screw where D¼ screw flight diameter, m (in); Ntan ¼land screw c c¼ land width, m (in). If we assume that the flight width is negligibly small, then the last donde D = diámetro de la paleta del tornillo, m (pulg); N = velocidad rotacional del tornillo, ¼ screw channel width, m (in); A ¼ flight angle; and w ¼ flight channel depth, m (in); w where D ¼ screw flight diameter, m (in); N ¼ screw rotational speed, rev/s; dc ¼f screw c ¼ screw channel width, m (in); Aancho ¼ flight angle; and wf ¼ flight channel depth, m (in); wccanal of these equations reduces to = profundidad del del tornillo, m (pulg); w = del canal del tornillo, m rev/s; d land width, m (in). If we assume that the flight land width is negligibly small, then the last ¼flight screw where D¼¼ ¼screw screw flight diameter, m(in); (in);width, N¼¼ ¼screw screw rotational speed, rev/s; ¼ screw channel m (in); A ¼ flight angle;rev/s; and w channel depth, m (in); wcdiameter, cD crotational screw where D screw flight diameter, (in); N screw speed, rev/s; cc¼ ¼¼ screw where flight rotational speed, dcdd cf¼ screw where D= ¼ángulo screw flight mmm (in); NN ¼ screw rotational speed, rev/s; dthen land A width, m (in). If paleta wediameter, assume that the flight land width islanegligibly small, the last (pulg); de la o hélice, y w = ancho del filo de paleta, m (pulg). Si se supone of these equations reduces to ¼screw screw channel width, m(in); (in);is A ¼flight flightangle; angle; and wthe ¼flight flight channel depth, m(in); (in); wcc¼¼ land width, m (in). If(in); weww assume that thefflight landmwidth negligibly small,and then last screw channel width, m (in); ¼ flight angle; and flight channel depth, f¼ channel width, AA channel depth, screw channel width, m¼ (in); ¼¼ angle; and wwfwf¼f¼ flight channel depth, mmm (in); wla ofelthese equations reduces c c¼ wto p D tan A cos A p DA sin Aflight c ¼ que ancho del borde de paleta othat hélice esflight tan pequeño que es insignificante, entonces la(8.9) úlland width, m(in). (in).reduces If we assume that the flight land width isnegligibly negligiblysmall, small, thenthe the last of these equations to land width, m (in). If we assume that the flight land width is negligibly small, then the last land width, m If we assume the land width is then last landecuación width, mse(in). If we assume that the flight land width is negligibly small, then the last w ¼ p D tan A cos A ¼ p D sin A (8.9) c tima reduce a ofthese theseequations equationsreduces reducesw to¼ p D tan A cos A ¼ p D sin A of these equations reduces to of to (8.9) ofSubstituting these equations Eqs. reduces (8.6), (8.7), and wtoc c¼and p D(8.9) tan Ainto cos Eq. A ¼(8.5), p D sin A using several trigonometric (8.9) weEqs. get (8.6), (8.7), Substituting and into Eq. (8.5), and using several trigonometric sen A ¼pppD(8.9) Dtan tanA Acos cos A¼¼ ¼pppDD Dsin sinAA A (8.9) wcc¼ identities, (8.9) ¼ D tan A cos sin (8.9) AA (8.9) wwwc¼ p D(8.9) tan Ainto cos A ¼ (8.5), p D sin A using several trigonometric (8.9) Substituting Eqs. (8.6), (8.7), and Eq. and identities, we get(8.6), (8.7),c and (8.9) into Eq. (8.5), and using several trigonometric Substituting Eqs. 2 identities, we get Q(8.7) ¼ 0:5 p2 into D decuación cosA (8.10) c sinA dand Substituting Eqs.(8.6), (8.6),(8.7), (8.7), and (8.9) into Eq. (8.5), and using several trigonometric identities, get Al sustituir we las Eqs. ecuaciones (8.6), y(8.9) (8.9) enN la (8.5), y con el empleo de varias Substituting Eqs. (8.6), (8.7), Eq. (8.5), and using several trigonometric Substituting and (8.9) into Eq. (8.5), and using several trigonometric Substituting Eqs. (8.6), (8.7), Q and¼(8.9) into (8.5), and using several trigonometric 2 2 Eq. 0:5 p D N d sinA cosA (8.10) c identities, we get identidades trigonométricas, se obtiene d identities, we get 2 2 identities,we weget get p D (8.10) identities, c sinA cosA 2forward 2 N dmotion d ¼ 0:5 If no forces were present toQQ resist the of the fluid, this equation would ¼ 0:5 p D N d sinA cosA (8.10) c d a reasonable description of melt rate the this extruder. However, 222 D 222 N If no forces were present toQresist the forward ofinside the fluid, equation would Q ¼0:5 0:5the p N flow dmotion sinA cosA (8.10) provide sen AcosA cos A (8.10) Q ¼ 0:5 sinA cosA (8.10) ccsinA p2pforward D2D (8.10) dd¼ d¼ Q 0:5 p D NNddcdcmotion sinA cosA (8.10) If no forces were present to resist the of the fluid,a this equation would d the polymer melt through themelt downstream creates back pressure in the provide a reasonable description of forward the flow rate inside thethis extruder. However, Ifcompressing no forces were present to resist the motion ofdie the fluid, equation would providethat a reasonable description of theby melt flow rate inside the This extruder. However, barrel reduces the material moved drag flow inof Eq. (8.10). flow reduction, compressing the polymer melt through downstream die creates back pressure in the Ifno no forces were present to resist the forward motion of the fluid, thisequation equation would provide a reasonable description ofthe theforward melt flow rate inside the However, Si no hay fuerzas presentes que seresist opongan elthe movimiento hacia delante delaextruder. fluido, esta ecuación If no forces were present to resist the forward motion of the fluid, this equation would forces were present to motion the fluid, this would IfIf no forces were present to resist the forward motion of the fluid, this equation would compressing the polymer melt through the downstream die creates a back pressure in the called the back-pressure flow, depends on the screw dimensions, viscosity of the polymer barrel that reduces the material moved by drag flow in Eq. (8.10). This flow reduction, provide a reasonable description of the melt flow rate inside the extruder. However, compressing the polymer melt through the downstream die creates a back pressure in the proveería una descripción razonable de la velocidad de flujo del fundido dentro del extrusor. Sin provide a reasonable description of the melt flow rate inside the extruder. However, provide reasonable description themelt melt flow rate inside theextruder. extruder. However, provide aareasonable description ofof the flow rate the However, barreland that reducesgradient the material moved by drag flow ininside Eq. (8.10). This flow reduction, melt, pressure along the barrel. These dependencies can beflow summarized in called the back-pressure flow, depends the screw dimensions, viscosity of the polymer compressing thepolymer polymer melt through the downstream diecreates creates aback back pressure inthe the barrel that reduces the material moved by drag flow in die Eq. (8.10). This reduction, embargo, al comprimir el polímero fundido aon través del recorrido hacia el dado, sepressure crea una concompressing the polymer melt through the downstream die creates a back pressure the compressing the melt through the downstream a compressing the polymer melt through the downstream die creates a back pressure ininin the called the back-pressure flow, depends on the screw dimensions, viscosity of the polymer this equation [12]: melt, and pressure gradient along the barrel. These dependencies can be summarized in barrel that reduces the material moved by drag flow in Eq. (8.10). This flow reduction, called the back-pressure flow, depends on the screw dimensions, viscosity of the polymer trapresión en el cilindro que reduce el material que se mueve por flujo de arrastre en la ecuación barrel that reduces the material moved by drag flow in Eq. (8.10). This flow reduction, barrel thatreduces reducesthe thematerial material moved bydrag drag flowdependencies Eq.(8.10). (8.10).can This flow reduction, barrel moved by flow ininEq. This flow reduction, melt, that and pressure gradient along the barrel. These be summarized in this equation [12]: called the back-pressure flow, depends on the screw dimensions, viscosity of the polymer (8.10). Esta reducción del flujo, que se llama flujo a contrapresión, depende de las dimensiones melt, and pressure gradient along the barrel. These dependencies can be summarized in called the back-pressure flow, depends on the screw dimensions, viscosity of the polymer  called theback-pressure back-pressure flow,depends dependson onthe the screw dimensions, viscosityofofthe thepolymer polymer 3 screw 2  called the flow, viscosity this equation [12]: pDd A dimensions, dp del tornillo, lapressure viscosidad del polímero fundido el gradiente de presióncan acan lobe largo del cilindro. melt, andpressure pressure gradient along the barrel. These dependencies can besummarized summarized in this equation [12]: gradient cy sin melt, and gradient along the barrel. These dependencies be summarized melt, and along the barrel. These dependencies   ¼ Q (8.11) melt, and pressure gradient along the dependencies can be summarized ininin 2 b barrel.3 These   pDd sin A dp 12h dl Estas dependencias se resumen en la siguiente ecuación [12]: this equation [12]: thisequation equation[12]: [12]: 3c 2  this equation [12]:  Q ¼ pDd (8.11) A dp this 3 c sin sin2 A dp dl  Qbb ¼pDdc12h (8.11)    Qb ¼ (8.11)   3 3 12h 2 2 3 2 dl 3 2   pDd sin A dp /sec); ¼ dl viscosity, N-s/m (lb-sec/in ); dp/dl ¼ where Qb ¼ back pressure flow, m /s (in pDd sin A dp 3 3ccsen 2 2hA 12h A pDd sin dp ¼ Q (8.11) 2pDd ¼ (8.11) 3b¼ 3 c csin A dp 2 2 the (8.11) QQ (8.11) b b /in); and the other terms were previously defined. pressure gradient, MPa/m (lb/in ¼ Q (8.11) pressure flow, m /s (in /sec); h ¼ viscosity, N-s/m ¼ where Qb ¼ back 12h dl 12h b 3 3 12h 2 (lb-sec/in2); dp/dl dldl 12h dl ¼ back pressure flow, m /s (in /sec); h ¼ viscosity, N-s/m (lb-sec/in ); dp/dl ¼ where Q 2 3 barrel 3 2 of the screw 2 b pressure gradient in the The actual is a function of the shape over its /in); and the other terms were previously defined. the pressure gradient, MPa/m (lb/in /sec); h ¼ viscosity, N-s/m (lb-sec/in ); dp/dl ¼ where Qb ¼ back pressure flow, m /s (in 2 the 8.6. other terms were previously the pressure gradient, MPa/m (lb/in 3 /in); 3 and 32 22 22 defined. 3given 333 length; aQbtypical pressure profile is in Ifof we assume as an The actual pressure gradient in the barrel isFigure athe function the shape of theapproximation screw over its ¼ back pressure flow, m /s (in /sec); h¼¼ ¼viscosity, viscosity, N-s/m (lb-sec/in );dp/dl dp/dl ¼ where /in); and other terms were the pressure gradient, MPa/m (lb/in 3 ¼ back pressure flow, m /s (in /sec); h viscosity, N-s/m (lb-sec/in ); dp/dl where Q 3 3 222 previously 222); b ¼ back pressure flow, m /s (in /sec); h N-s/m (lb-sec/in );defined. dp/dl ¼¼ where Q donde Q a pressure contrapresión, m /s/s(pulg /s); η = viscosidad, (lb-s-pulg = b¼flujo back flow, m (in /sec); h ¼ viscosity, N-s/m (lb-sec/in ); dp/dl ¼ where Q The actual pressure gradient in the barrel is a function of the shape of the screw overthe its b b= 22 2 that the profile is a straight line, indicated by the dashed line in the figure, then length; a typical pressure profile is given in Figure 8.6. If we assume as an approximation /in); and the other terms were previously defined. the pressure gradient, MPa/m (lb/in The actual pressure gradient in the barrel is a function of the shape of the screw over its 2 /in); and the other terms were previously defined. the pressure gradient, MPa/m (lb/in 2 /in); and the other terms were previously defined. the pressure gradient, MPa/m (lb/in gradiente de presión, MPa/m (lb/pulg los demás términos se definieron antes. El gra/in);p/L, and the the other were previously defined. the pressure gradient, MPa/m (lb/in length; a typical pressure profile is/pulg); given in Figure 8.6. Ifterms weya assume as anreduces approximation pressure gradient a line, constant previous equation to that the profile is becomes a gradient straight indicated line in the figure, then Theactual actual pressure gradient inis the barrel isand afunction function of the shape of the screw overthe its length; a typical pressure profile given in Figure 8.6. dashed If we assume an approximation The actual pressure in the barrel is aby function of the shape of the screw over its The pressure the barrel the shape the screw over its diente de real el cilindro es función de forma del tornillo a in loas largo de su longitud; The pressure gradient ininline, the barrel isis aala function ofof the shape ofof the screw over its thatactual thepresión profile is en agradient straight indicated by the dashed line the figure, then the pressure gradient becomes a constant p/L, and the previous equation reduces to length; a typical pressure profile is given in Figure 8.6. If we assume as an approximation that the profile is a straight line, indicated by the dashed line in the figure, then the length; a typical pressure profile is given in Figure 8.6. If we assume as an approximation length; a typical pressure profile is given in Figure 8.6. If we assume as an approximation en la figura 8.6 sepressure dabecomes un perfil de lap/L, presión. Si2 como suponetoque el 3 the length; a typical profile is given inppDd Figure 8.6. If weaproximación assume as anse approximation pressure gradient acomún constant and equation reduces sin Aprevious that the profile isaaastraight straight line,indicated indicated by the dashed line inentonces the figure, then the pressure gradient becomes constant p/L, and previous equation reduces to cthe that the profile straight line, indicated by the dashed line the figure, then the that profile isis line, by the dashed line inin the figure, then the perfil esthe una línea is recta, que ena la figura se indica con una línea de rayas, el then gradiente Q (8.12) that the profile a straight line, indicated by line in the figure, the 3the 2dashed b ¼ ppDd sin A 12hL pressure gradient becomes a constant p/L, and the previous equation reduces to pressure gradient becomes a constant p/L, and the previous equation reduces to 3 2 c pressure gradient becomes a constant p/L, and the previous equation reduces to de presión gradient se vuelve becomes una constante p/L, Q y lap/L, anterior a ¼ecuación ppDd sin A se reduce pressure a constant and equation reduces to (8.12) 3 cthe 2 previous Qb ¼ppDd12hL (8.12) c sin A Qb b¼ (8.12) 12hL 33 sin 2222 A ppDd ppDd sin A and L ¼ length of the barrel, m (in). where p ¼ head pressure in the barrel, MPa (lb/in 3 3ccsin 22); 12hL ppDd A ppDdc csen sin2AA ¼ Qbb¼¼ (8.12) Q (8.12) (8.12) (8.12) QQis Recall (8.12) this back-pressure really an actual flow by itself; it is a reduction in 12hL ); and L ¼ length of the barrel, m (in). where pthat ¼ head pressure in theflow barrel, MPanot (lb/in 12hL bb¼ 12hL 2); and L ¼ length of the barrel, m (in). where p ¼ head pressure in the barrel, MPa12hL (lb/in 2 Recallp that thispressure back-pressure flow is really not an by itself; it isbarrel, a reduction );actual and Lflow ¼ length of the m (in).in where ¼ head in the barrel, MPa (lb/in Recall that this back-pressure flow is really not an22actual flow by itself; it is a reduction in 2 );and and L¼ length of the barrel,mm m(in). (in). where p¼ ¼this head pressureinin inthe the barrel, MPa (lb/in Recall that back-pressure flow is really not an2actual flow by itself; itthe is abarrel, reduction in and L length of the barrel, (in). where head pressure the barrel, MPa (lb/in length where pp head pressure barrel, MPa (lb/in 2), of ););); and ¼¼¼ length mdel (in). where ¼¼ head pressure in the MPa donde pp= presión piezométrica o barrel, estática en el(lb/in cilindro, MPaLL(lb/pulg yofLthe = barrel, longitud ciRecall that this back-pressure flow is really not an actual flow by itself; it is a reduction in Recall that this back-pressure flow is really not an actual flow by itself; it areduction reduction Recall that this back-pressure flow really not an actual flow by itself; areduction Recall this back-pressure flow really not actual flow by itself; ititno isisis aes ininin lindro, mthat (pulg). Hay que recordar queisiseste flujo a an contrapresión en realidad un flujo real

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8.2 Extrusión  151

Chapter 8/Shaping Processes for Plastics

156156 Chapter 8/Shaping Processes for for Plastics Chapter 8/Shaping Processes Plastics Presión piezométrica (estática), p

Extremo de la alimentación de la tolva Extremo del dado

FIGURE 8.6 Typical pressure gradient 8.6  in an extruder;dedashed FIGURA presión line típico FIGURE 8.68.6Gradiente Typical pressure FIGURE Typical pressure indicates a straight approximation en un extrusor; la línealine punteada indica una gradient in an dashed lineline gradient in extruder; an extruder; dashed aproximación lineal recta para facilitar to facilitate computations. (Credit:los indicates a straight lineline approximation indicates a straight approximation cálculos. (Crédito: of MoFundamentals ofFundamentals Modern to facilitate computations. (Credit: toManufacturing, facilitate computations. (Credit: dern ed., deby Mikell P. Manufacturing, 4th4a. Edition Mikell Fundamentals of Modern Fundamentals of Modern Groover, 2010. Reimpreso con autorización P. Groover, 2010. Reprinted with th th Manufacturing, 4 4Edition by Mikell Manufacturing, Edition by Mikell de John Wileyof&John Sons, Inc.) permission Wiley & Sons, Inc.) P. Groover, 2010. Reprinted with P. Groover, 2010. Reprinted with permission of John Wiley & Sons, Inc.)Inc.) permission of John Wiley & Sons,

Gradiente de presión típico

Aproximación Posición en el cilindro

L

por mismo; una reducción en el flujo arrastre. Así, la melt magnitud delan flujo fundidoasen un the sí drag flow.es Thus, we can compute thepor magnitude of the flow in extruder the extrusor se calcula como ladrag diferencia entre el flujo por arrastre y el flujo a contrapresión: difference between the flow and back-pressure flow: thethe drag flow. Thus, we we cancan compute thethe magnitude of the melt flow in an as the drag flow. Thus, compute magnitude of the melt flow in extruder an extruder as the difference between thethe drag flow andand back-pressure flow: difference between drag flow back-pressure flow: Q ¼Q �Q x

d

b

A ppDd3c sen sin2 A (8.13) Qxx Q ¼ x0:5 Q �2dQ ¼d Q �b2Q (8.13) Q ¼ p D Nb dc sen sin A A cosA � 3 32 2 12hL ppDd sin sin A A (8.13) ppDd (8.13) Qx Q ¼ x0:5 p2 D N2dN A cosA � � c c ¼ 0:5 p22 D dc sin A cosA c sin 12hL 12hL donde velocidad de flujoflow resultante polímeromelt fundido en elextruder. extrusor. La ecuación(8.13) (8.13) the resulting rate ofdelpolymer in the Equation whereQQ x x=¼ supone que hay una is pérdida de flujo mínima a través del claro entre las paletas y eland cilindro. La assumes that there minimal leak flow through the clearance between flights barrel. ¼x the resulting flow raterate of polymer melt in the extruder. Equation (8.13) where Qx Q ¼ the resulting flow of polymer melt in the extruder. Equation (8.13) where pérdida de flujo de líquido será pequeña en comparación con el arrastre y flow, el flujo a contrapresión, Leak flow of melt is small compared with drag and back-pressure except in badly assumes thatthat there is minimal leak flow through thethe clearance between flights andand barrel. assumes there is minimal leak flow through clearance between flights barrel. excepto en extrusores muy desgastados. worn extruders. Leak flow of melt is small compared with drag and back-pressure flow, except in Leak flow of melt is small compared with drag and back-pressure flow, except badly in badly LaEquation ecuación (8.13) (8.13) contains contiene muchos parámetros, which que pueden dividirse dos two tipos: 1) de many parameters, can be dividedeninto types: worn extruders. worn extruders. diseño y 2) parameters, de operación.and Los(2) parámetros deparameters. diseño son aquellos que definen la configuración (1) design operating The design parameters are those Equation (8.13) contains many parameters, which cancan be be divided intointo twotwo types: Equation (8.13) contains many parameters, which divided types: geométrica y del diámetro D, longitud L, profundidad canal ddepth that define del thetornillo geometry ofcilindro: the screw and barrel: diameter D, lengthparameters L,del channel d c, c y ángulo (1) (1) design parameters, and (2) (2) operating parameters. TheThe design are those design parameters, and operating parameters. design parameters are those de lahelix hélice A. Para la operación de un extrusor determinado, estoscannot factoresbenochanged pueden during cambiar and angle A. For a given extruder operation, these factors thatthat define thethe geometry of the screw andand barrel: diameter D, length L, channel depth d c, d c, define geometry of the screw barrel: diameter D, length L, channel depth durante el proceso. Los parámetros de operación son that aquellos susceptibles de cambiar el the process. TheA.operating parameters are those can be changed during thedurante process andand helix angle For a given extruder operation, these factors cannot be changed during helix angle A.elFor a given extruder operation, these factors cannot be changed during proceso, para afectar flujo de salida; incluyen la velocidad rotacional N, presión estática (pieto output flow; they include rotational speed N, can headbepressure p,during and melt theaffect process. TheThe operating parameters are those that theviscosity process the process. operating parameters those that can changed be changed during the process zométrica) p, ymelt viscosidad del isfundido η. Porare supuesto, la viscosidad del fundido es controlable h. Of course, viscosity controllable only to the extent to which temperature and to affect output flow; they include rotational speed N, head pressure p, and melt viscosity to affect output flow; they include rotational speed N, head pressure p, and melt viscosity sólo hasta elcan grado en que la temperatura ythis la velocidad deLet corte se pueden manipular paraplay afecshear rate be manipulated to affect property. us see how the parameters h. Of course, melt viscosity is controllable only to the extent to which temperature andand h. Of course, melt viscosity isejemplo controllable only to verá the extent to which temperature tar dicha propiedad. Ahora, en el que sigue, se la manera en que los parámetros out their roles in manipulated the followingtoexample. shear raterate cancan be affect thisthis property. LetLet us see how thethe parameters play shear be manipulated to affect property. us see how parameters play desempeñan sus funciones. outout their roles in the following example. their roles in the following example. An extruder barrel has a diameter D ¼ 75 mm. The screw rotates at N ¼ 1 rev/s. Channel Un cilindro un diámetro 75 El tornillo giraata the N =end 1 rev/s. La barrel profundidad 6.0 mm tiene andaflight angleDD A¼= ¼75 20�mm. . Head pressure of the p¼ depth dc ¼ extrusor AnAn extruder has diameter The screw rotates at N Channel extruder barrel has aángulo diameter D ¼ mm. 75A mm. The screw rotates at¼N1¼rev/s. 1 el rev/s. Channel 6 es d barrel del canal = 6.0 mm y el de la paleta = 20°. La presión piezométrica en extremo del clength of the barrel L ¼ 1.9 m, and Pa, 7.0�10 � �viscosity of the polymer melt is assumed to mm flight angle A cilindro ¼ . Head pressure at the enddel ofpolímero the barrel p ¼p ¼ depth dpc ¼ ¼ 6.0 mm and flight angle A20 ¼ 20 .=Head pressure at the end of the barrel depth dc6.0 6and cilindro = 7.0 × 10 Pa, la longitud del L 1.9 m y la viscosidad fundido be h ¼6100 6 Pa-s. Determine the volume flow rate of the plastic in the barrel Qx. Pa, length of Pa-s. the barrel L ¼L1.9 m, and viscosity the polymer is assumed to to 7.0�10 length of the barrel ¼ m, and viscosity of the polymer melt isen assumed 7.0�10 se supone dePa, η= 100 Determine la 1.9 velocidad de flujoofvolumétrico delmelt plástico el cilin. be h ¼ 100 Pa-s. Determine the volume flow rate of the plastic in the barrel Q . be h ¼ 100 Pa-s. Determine the volume flow rate of the plastic in the barrel Q Solution: Using Eq. (8.13) we can compute the drag flow and opposing back pressure x x dro Qx. flow in the barrel. Solution: Using Eq.Eq. (8.13) we we can compute thethe flow andand opposing pressure Solution:Con Using (8.13) can compute drag back pressure Solución:  la ecuación (8.13) puede calcularse eldrag flujo deflow arrastre yopposing el flujoback opuesto a conflow in the barrel. flow in the barrel. 2 �3 �9 2 cilindro. �3 3 trapresión en el Q ¼ 0:5 p ð75 � 10 Þ ð1:0Þð6 � 10 Þðsin 20Þðcos 20Þ ¼ 53; 525 ð10 Þ m =s

Example 8.1 Ejemplo 8.1 Extrusion Flow Example 8.1 Example 8.1 Gastos de Rates Extrusion Flow Extrusion Flow extrusión Rates Rates

d

2 6 2 �32Þð6 � 10�3 �9 �9 3 �9 �3 �3 10 Þð75 �10Þ10 Þ3Þðsin ðsin20Þ sen ¼ pð7 0:5 p�2 ð75 � 10 ð1:0Þð6 � 10 20Þðcos 20Þ20Þ ¼ 53; 525 ð10 Þ mÞ =s Qd Q ¼ 0:5 p2 ð75 ��3 Þ ð1:0Þð6 ��3 10 Þðsin 20Þðcos ¼�6 53; 525 m3 =s ¼ 18:276ð10 Þ¼ 18;ð10 276ð10 Þ m3 =s Q b ¼d 3 3 22 2 6 6 12ð100Þð1:9Þ �3 �3 �3 �3 (sen 20) pð7pð7 � 10 Þð75Þð75 � 10 � 10 � 10 � 10Þð6 Þð6 � 10Þ ðsin20Þ Þ ðsin20Þ �6 �6 �9 �9 3 3 �9 ¼ 18:276ð10 ¼ ¼ Þ ¼Þ18; 276ð10 Þ mÞ =s Qb Q ¼ 18:276ð10 ¼ 18; 276ð10 m&=s 525 � 18; 276Þð10�9 Þ ¼ 35;249ð10 Þ m3 =s Q x ¼b Qd � Qb ¼ ð53; 12ð100Þð1:9Þ 12ð100Þð1:9Þ �9 �9 �9 �9 3 3 ¼x Q �dQ ¼b ð53; 525525 � 18; 276Þð10 Þ ¼Þ35;249ð10 Þ mÞ =s Qx Q ¼d Q �b Q ¼ ð53; � 18; 276Þð10 ¼ 35;249ð10 m =s &■& Extruder and Die Characteristics If back pressure is zero, so that melt flow is given byque Eq. unrestrained indel theextrusor extruder, then the flow would equal drag flow Qd de Extruder andand Die Characteristics pressure is es zero, so that melt flow isel is Características y del dado If Siback contrapresión a cero, modo Extruder Die Characteristics Iflaback pressure isigual zero, so that melt flow (8.10). Given the design and operating parameters (D, A, N, etc.), this is the maximum by Eq. unrestrained intenga the extruder, then thethe flow would equal drag flow Q flujo fundido no restricción en then el extrusor, entonces el flujo sería igual aldflujo por arrastre given by Eq. unrestrained in the extruder, flow would equal drag flow Qgiven d : this (D, possible flow capacity ofand the operating extruder. Let us denote itA, asN, Q max Q dado por la ecuación (8.10). Dados los parámetros de diseño y operación A, N, etc.), ésta (8.10). Given the design parameters (D, etc.), is the maximum (8.10). Given the design and operating parameters (D, A, N, etc.), this is the maximum d es lapossible capacidad de capacity flujo máximo posible delLet extrusor. denotará : Q: máx: possible flow capacity of the extruder. us denote it as flow of the extruder. Let us Se denote it Q ascomo Qmax max Qmax ¼ 0:5p2 D2 N dc sin A cos A (8.14)



2 22 2 Qmax ¼ 0:5p D D N dN A cos A A (8.14) (8.14) Qmax ¼ 0:5p dc sen sin A cos (8.14) c sin máx

C08 08/02/2011 10:13:19 Page 157 10:13:19 157 157 8C0808/02/2011 C0808/02/2011 08/02/2011 10:13:19 10:13:19 PagePage 157Page C08 08/02/2011 10:13:19 Page 157

152  CAPÍTULO 8  Procesos para dar forma a los plásticos

Section8.2/Extrusion 8.2/Extrusion 157 Section Section Section 8.2/Extrusion 8.2/Extrusion 157157157 Section 8.2/Extrusion 157 Característica del dado

Flujo fundido, Q

FIGURE8.7 8.7 Extruder Extruder FIGURE Qmáx FIGURA 8.7  Extruder Característica del FIGURE FIGURE 8.7 8.7 Extruder characteristic (also called the extrusor (también llamada caracteFIGURE 8.7 Extruder characteristic (also called the characteristic characteristic (also called (alsoand the called the screw characteristic) die rística del characteristic) tornillo) y(also característica characteristic called thedie screw and die screw characteristic) screw characteristic) and dieand characteristic. The extruder delcharacteristic. dado. Elcharacteristic) punto de operación del screw and die extruder characteristic. characteristic. TheThe extruder extruder operating point isThe atextruder intersection extrusor está enpoint la intersección de characteristic. The operating is at intersection operating operating point is point at intersection is at intersection of the two(Crédito: lines.(Credit: (Credit: lasof dos líneas. Fundamenoperating point is at intersection the two lines. of the two of the lines. two (Credit: lines. (Credit: Fundamentals of Modern talsFundamentals of Modern Manufacturing, 4a. of the two lines. (Credit: of Modern Fundamentals Modern ofEdition Modern Manufacturing, 4thth by ed.,Manufacturing, de Fundamentals Mikell P. of Groover, 2010. th of th Fundamentals Modern 4 Edition by Manufacturing, Manufacturing, 4 Edition 4 de Edition by by Mikell P. Groover, 2010. Reprinted th Reimpreso con autorización John Manufacturing, 42010. Edition by Mikell P. Groover, Reprinted Mikell P. Mikell Groover, P. Groover, 2010. Reprinted 2010. Reprinted Wiley & Sons, Inc.) of John Wiley & with permission Mikell P.permission Groover, 2010. Reprinted with permission of John Wiley & & with permission with of John ofWiley John &Wiley Sons, Inc.) with permission of John Wiley & Sons, Inc.) Sons, Inc.) Sons, Inc.) Sons, Inc.)

Punto de operación Característica del extrusor

Presión estática

Pmáx

On the the other other hand, hand, ifif back back pressure pressure were were so so great great as as to to cause zero zero flow, flow, then then back back PorOn otro lado, sihand, la would contrapresión fuerapressure tanwere grande que ocasionara igual a cero, entonces On the On other theflow other hand, if back if pressure back so were great so as great to cause asuncause toflujo cause zero flow, zero then flow, back then back pressure equal drag flow; that is, Onpressure other hand, if drag back were great as to cause zero flow, then back pressure flow would equal drag flow; that is, so el flujo athe contrapresión sería igual alpressure flujo por arrastre; decir, pressure flow would flow would equal equal flow; drag that flow; is, that is, es pressure flow would equal drag flow; that is, Qx¼¼Q Qd��Q Qb¼¼0;0; so so Qd¼¼Q Qb Qdx � ¼x Q ¼dQ Qbd ¼ �b 0; Qbentonces so¼Q0;d Q ¼ sod Q Qbd ¼b Qb  Qx Q Qx ¼ Qd � Qb ¼ 0; so Qd ¼ Qb Using the expressions for Q andQ Q in in Eq.(8.13), (8.13),we wecan cansolve solvefor forppto todetermine determinewhat what dand Using expressions for Q Con elUsing usothe dethe las expressions expresiones QQ y in QbbbEq. enbEq. la ecuación (8.13), se despeja ap fintodedetermine determinar dQ Using the expressions forpressure Qdpara for and and Q in (8.13), Eq. (8.13), we can we solve can for solve p to for determine what what dd b would have to be to cause no flow in the extruder: this maximum head p maxQ Using the expressions for Q and Eq. (8.13), wecause for pflow to what would to be to cause flow indetermine the extruder: this maximum pressure cuál tendría que serhead lapressure presión estática phave para hacer que nono hubiera flujo enthe el extrudp b in max máx would have to have be to to becan to solve no cause flow no in the in extruder: extruder: this maximum this maximum head head pressure pmax pmáxima max would would have to be to cause no flow in the extruder: this maximum head pressure p sor: max 6pDNLhcotA pmax6pDNLhcotA ¼6pDNLhcotA (8.15) 6pDNLhcotA p ¼ (8.15) max d22 2 A pmax ¼pmax ¼ (8.15) (8.15) 6pDNLhcotA 2 dcc cot pmax (8.15) dc 2 dc (8.15) máx ¼ dc Thetwo twovalues valuesQ Qmaxand andppmaxare arepoints pointsalong alongthe theaxes axesof ofaadiagram diagramknown knownas as the The max The two The values two values Qmaxmax Qmax and pmax and are pmax points are points along as the along axes theofaxes a8.7. diagram ofItadefines diagram known known asrelationthethe as the extruder characteristic (or screw characteristic), in Figure the The two values and pcharacteristic), are points the axes of8.7. aIt diagram known as the extruder characteristic (or screw as in Figure 8.7. defines the relationLos dos valores Qmáx y p(or son puntos a locharacteristic), largo de as losalong ejes del diagrama conocido como caracmax max máxQ extruder extruder characteristic characteristic screw (or characteristic), screw in Figure as in Figure 8.7. It defines It defines the relationthe relationship between head pressure andflow flowrate rate inan anextrusion extrusion machine with given design and extruder characteristic (or screw inmachine Figure 8.7. It defines relationship between head and in machine with given design and terística delbetween extrusor (opressure bien característica delrate tornillo oextrusion gusano), como se ve endesign lathe figura 8.7. ship between ship head pressure head pressure and flow andcharacteristic), rate flow in an extrusion in anas machine with given with given design and and operating parameters. ship head flow yrate in an extrusion with given design and operating parameters. Define labetween relación entre pressure la presiónand estática la velocidad de flujomachine en una máquina de extrusión operating operating parameters. parameters. Withparameters. diein inthe the machineand andthe theextrusion extrusionprocess processunderway, underway,the theactual actualvalues values With aade die machine conoperating parámetros ythe operación dados. With aWith die inadiseño the die in machine machine and the and extrusion the extrusion process process underway, underway, the actual the actual valuesvalues and p will lie somewhere between the extreme values, the location determined of Q xand With alie die the machine and the extrusion underway, the actual values un dado lainmáquina ybetween el between proceso dethe extrusión enprocess marcha, losthe valores reales de Qby pby by p will lie somewhere extreme values, the location determined ofCon Q x y by px will and pen will somewhere lie somewhere between the extreme the extreme values, values, the location location determined determined of Q ofxcharacteristics Q x and the of the die. Flow rate through the die depends on the size and shape p will somewhere between thethrough extreme values, the location determined by of the Q estarán en algún punto entre los valores extremos, la ubicación determinada las característithe characteristics of the die. Flow rate through the die depends on the size and shape x and the characteristics characteristics oflie the of die. the Flow die. rate Flow through rate the diethe depends die depends on thepor on size the and size shape and shape of the opening and the pressure applied to force the melt through it.de This can be the characteristics of the die. Flow rate through the die depends on the size and shape cas del dado. La velocidad de flujo a través de éste depende del tamaño y la forma la abertura of the opening and the pressure applied to force the melt through it. This can be of the ofopening the opening and the andpressure the pressure applied applied to force to the forcemelt the through melt through it. Thisit. can Thisbecan be expressed: oflaexpressed: the opening thepara pressure theaquélla. melt through it. Thisasí: can be y de presión que seand aplique forzar applied al fundidotoa force pasar por Esto se expresa expressed: expressed: expressed: Qx¼¼KK spp (8.16) (8.16) (8.16) Qx Q Qsxp¼s K s p ¼x K (8.16) (8.16) Qx ¼ K s p (8.16) 3 3 3 2 3/s); 2),s y ¼ flow rate, rate, m /sec.); head pressure, Pa (lb/in (lb/in ); and and KK shape where Qla 3 /s (in 3m 2 (lb/pulg donde Qx Q es velocidad de flujo, p =pressure, presión estática, = x¼ 3m 3 en /sec.); 3/s (pulg 2 Pa); 2 flow /sm53(in pphead ¼¼ head Pa ¼¼K shape where x flow s K 5 ¼ ¼ rate, flow m rate, /s (in /sec.); /s (in /sec.); p ¼ p ¼ pressure, head pressure, Pa (lb/in Pa ); (lb/in and K and ¼s shape where where Q Q x for the x die, m5 /Ns (in s ¼ shape slength, 5/Ns 5For 35 3 2 el); /lb-sec). a circular die opening of a given channel factor factor de forma para el dado, m (pulg /lb-s). Para una abertura circular en dado, con una ¼the flow m /s (in pa circular ¼ahead pressure, (lb/in ); and Klength, shape where Qfor 5 5(in 5 /sec.); /Ns /lb-sec). For opening aofgiven channel length, factor for the die, mrate, xdie, s ¼ /Ns (in /lb-sec). (in /lb-sec). For[12] a circular For circular diedie opening die opening ofPaaofgiven achannel given channel length, factor factor for the m5die, 5 forma the shape factor can be/Ns computed as longitud de canal dada, el5m factor de se calcula [12] como: /Ns (in /lb-sec). For a circular die opening of a given channel length, factor for the die, m the shape factor can be computed [12] as the shape the shape factor factor can becan computed be computed [12] as[12] as the shape factor can be computed [12] as pD44 4 dd 4 pD (8.17) ¼ (8.17) K s pD pD (8.17) 128hL ¼s ¼ ¼dpD4ddd d (8.17) (8.17) Ks K Ks128hL 128hLd (8.17) K128hL d s ¼ 128hLd 2 2 2 (lbdonde Dd = de la abertura del dado, m (pulg); η= viscosidad del2fundido, N-s/m where Dddiámetro ¼die dieopening opening diameter, m(in) (in) h¼¼melt melt viscosity, N-s/m (lb-sec/in 2 ); and 2 2 2 2 where D ¼ diameter, m h viscosity, N-s/m (lb-sec/in ); and LLddL ddie 2 where where D D ¼ opening ¼ die opening diameter, diameter, m (in) m h ¼ (in) melt h ¼ viscosity, melt viscosity, N-s/m N-s/m (lb-sec/in (lb-sec/in ); and ); L and dyopening d d d s/pulg ), L = longitud de la abertura del dado, m (pulg). Para formas distintas de la circular, el 2 2 ¼ die length, m (in). For shapes other than round, the die shape factor is less Ddopening die opening diameter, mshapes (in) h¼ melt viscosity, N-s/m (lb-sec/in );less and ¼where die opening length, m (in). For shapes other than round, die shape factor is less d¼ d ¼factor die opening ¼ die length, length, mes(in). m For (in). shapes For other than other round, than round, thethe die the shape die shape factor factor issección isLisless de forma del dado menor que para una redonda con la misma superficie de su than for a round of the same cross-sectional area, meaning that greater pressure ¼for diefor length, mthe (in). For shapes other than round, the die shape factor is than a round of the same cross-sectional area, meaning that greater pressure is is than than aopening round for aachieve round of thethe ofsame same cross-sectional area, meaning area, meaning that greater that greater pressure pressure is less transversal, lotoque significa que secross-sectional requiere una presión mayor para obtener la misma velocidad required same flow rate. than for a round of the same cross-sectional area, meaning that greater pressure is required to achieve same flow rate. required required to achieve to achieve thethe same the flow same rate. flow rate. de flujo. and p in Eq. (8.16) is called the die characteristic. In The relationship between Q x required to achieve the same flow rate. and pEq. inpEq. (8.16) is called the die characteristic. The relationship between Q xQ and px in and in (8.16) (8.16) is called iscaracterística called the diethe the characteristic. die In laIn In The relationship The relationship between between x straight en (8.16) seEq. denomina delcharacteristic. dado.extruder En La relación entre Figure 8.7, this isQ drawn aslaQ aecuación line that intersects with previous x y p and p in Eq. (8.16) is called the die characteristic. In The relationship between Q Figure 8.7, this is drawn as a straight line that intersects with the previous extruder x Figure Figure 8.7,aparece this 8.7,iscomo this drawn is drawn aslínea a straight as a straight line lineintersects thatcon intersects the with previous the previous extruder extruder figura 8.7 una recta, que sethat interseca la with característica del extrusor anteand p that are known as characteristic. The intersection point identifies the values of Q x Figure 8.7, this is drawn as a straight line that intersects with the previous extruder and p that are known characteristic. The intersection point identifies the values of Q px that and p are that known are known asdeas as characteristic. The intersection The intersection point identifies point identifies thede values of Q ofx conocen Q x and rior.the Elcharacteristic. punto de intersección identifica los valores Qthe y values p que se como punto operating point for the extrusion process. xvalues and p that are known as characteristic. The intersection point identifies the of Q the operating point for the extrusion process. x the operating the operating for point the extrusion the extrusion process. process. operación parapoint el proceso defor extrusión. the operating point for the extrusion process.

08/02/2011 10:13:20 10:13:20PagePage C08C08 158 158 C0808/02/2011 08/02/2011 10:13:20 Page 158 C08 08/02/2011 10:13:20 Page 158 C08 08/02/2011 08/02/2011 10:13:20 10:13:20 Page Page158 158 C08 C08 08/02/2011 10:13:20 Page 158

8.2 Extrusión  153 Chapter 8/Shaping Processes Plastics 158158 8/Shaping Processes for for Plastics 158 Chapter Chapter 8/Shaping Processes for Plastics 158 Chapter 8/Shaping Processes for Plastics Consider the extruder from Example 8.1, in which D75 ¼ mm, 75 mm, L ¼ 1.9 m, N ¼rev/s, 1 rev/s, Example 8.2 8/Shaping 158 Chapter 8/Shaping Processes for Plastics 158 158 Chapter Chapter Processes Processes for Plastics Plastics Consider the extruder Example in D which ¼ L N Example 8.2 Ejemplo 8.2 Considere elfor extrusor delfrom ejemplo 8.1, en8.1, el que 75Dmm, m,¼NL1.9 = rev/s, Consider the extruder from Example 8.1, in=which DL¼= 751.9mm, ¼1m, 1.9 m,¼dNc1= ¼ 61 mm rev/s, Example 8.2 8/Shaping �20��.Example ¼ 6 mm, and A ¼ The plastic melt has a shear viscosity h ¼ 100 Pa-s. Determine d Consider the extruder from 8.1, in which D ¼ 75 mm, L ¼ 1.9 m, N ¼ 1 rev/s, Example 8.2 Extruder and Die c ¼ 6 mm, and A ¼ 20 . The plastic melt has a shear viscosity h ¼ 100 Pa-s. Determine d Extruder and Die c y A = 20°. El plástico fundido tiene una viscosidad de corte η = 100 Pa-s. Determine: a) Q y Características del ¼ 6 mm, and A ¼ 20 . The plastic melt has a shear viscosity h ¼ 100 Pa-s. Determine d máx Extruder and Die d ¼(a) and p¼ , �(b) shape factor K for circular die opening in which D ¼ mm Qmax ¼116.5 6cmax mm, and Aextruder 20 . from The plastic melt has aawhich shear viscosity hmm, ¼in 100 Determine Extruder and Diedado Characteristics Consider the extruder from Example in whichde Ddado ¼75 75 ¼Pa-s. 1.9 m, N 1mm rev/s, max s8.1, d¼ c Consider Example 8.2 Consider the the extruder from Example Example 8.1, 8.1, in in which D D ¼ ¼ 75 mm, mm, L LLwhich ¼ ¼ 1.9 1.9 m, m, N N ¼ rev/s, rev/s, and p , (b) shape factor K for a circular die opening D ¼ 6.5 (a) Q Example Example 8.2 8.2 Characteristics max s d p , b) el factor de forma K para una abertura circular en el que D = 6.5 mm y L = extrusor y del and p , (b) shape factor K for a circular die opening in which D ¼ 6.5 mm (a) Q máx s d d Characteristics max max s d � factor ��(c) ¼p20 mm, and values Q at the operating point. and ,A (b) shape die opening in which D 6.5 mm 6and and A¼¼¼ 20 .yThe The plastic melt has shear viscosity 100Pa-s. Pa-s. Determine dmm, xa and Characteristics cL max max soffor d ¼Determine Extruderand andDie Die (a) ¼¼ 6L mm, mm, and and A 20 20 The plastic plastic melt has has aaathe shear shear viscosity viscosity hhh¼ ¼¼100 100 Pa-s. Determine ¼ 20 and (c) of Q and p atp operating point. and Extruder Extruder and Die cd cc¼ d6y xmelt 20ddQ mm c) losmm, valores de Q. .values p en elKpunto decircular operación. and L d ¼ 20 mm, and x(c) values of Qx and p at the operating point. ¼ 20 mm, and (c) values of Q and p at the operating point. and L and p , (b) shape factor K for a circular die opening in which D ¼ 6.5mm mm (a) Q max max s d d x Characteristics and and p p , , (b) (b) shape shape factor factor K K for for a a circular circular die die opening opening in in which which D D ¼ ¼ 6.5 6.5 mm (a) (a) Q Q max max s d Characteristics Characteristics max max max max ss(8.14). dd is given Eq. Solution: (a) Qmax is given bylaby Eq. (8.14). Solution: (a) Q Solución:  a) Q está dado por ecuación (8.14). max is given by Eq. (8.14). Solution: (a) Q máx ¼ 20 mm, and (c) values of Q and p at the operating point. and L d x max 20 20Q mm, mm, and and (c) (c) values values of of Q Qxxxand and pp at at the the operating operating point. point. and and LLddd¼¼(a) Solution: max is given by Eq. (8.14). �3 2 �3 2 2 2 2 �3 2 2 2 ¼ 0:5p D Nd sinA cosA ¼ 0:5 p ð75 � 10 Þ ð1:0Þð6 ��3 10Þðsin Þðsin 20Þðcos Q is given by Eq. (8.14). Solution: (a) Q c AcosA max 2 �3 2is sen 2max 2 � 10 Þ �3 is given given by bycosA Eq. Eq. (8.14). (8.14). Solution: (a) (a) Q Q QSolution: ¼ ¼ 0:5p D Nd sinA ¼ 0:5 p ð75 ð1:0Þð6 � 10 20Þðcos 20Þ20Þ sen cos A = cNd max max máx max 0:5p D sinA ¼ 0:5 p ð75 � 10 Þ ð1:0Þð6 � 10 Þðsin 20Þðcos 20Þ Qmax �9 2 �3 �3 2 3 c 2 2 �9c sinA 3 Þ m =s 53;525ð10 ¼¼ ¼ 0:5p D Nd cosA ¼ 0:5 p ð75 � 10 Þ ð1:0Þð6 � 10 Þðsin 20Þðcos 20Þ Qmax max �9 =s 3 Þm 53;525ð10 Þ m =s ¼ 53;525ð10 �9 �3 �3 2 3 2 2 2 �3 �3 2Þ2 ð1:0Þð6 � 10 �3 Þðsin 20Þðcos 20Þ 22 D ÞNd mccsinA ¼ ¼¼ 53;525ð10 0:5p Nd sinAcosA cosA¼¼¼0:5 0:5pp2p2ð75 ð75���10 10 Qmax c=s 0:5p 0:5p D D22Nd sinA cosA 0:5 ð75 10 ÞÞ ð1:0Þð6 ð1:0Þð6��10 10�3 Þðsin Þðsin20Þðcos 20Þðcos20Þ 20Þ Q Q max max ¼ �9 (8.15). 3 p is given by Eq. (8.15). p está dado por la ecuación �9 �9 max 3 3 ¼ 53;525ð10 Þ m =s máx pmaxp is given by Eq. (8.15). ¼ ¼ 53;525ð10 53;525ð10 Þ Þ m m =s =s is given by Eq. (8.15). pmax ismax given by Eq. (8.15). �3 cot A6pð75 cot 20 6pDNLhcotA 6pð75 ��3 10Þð1:9Þð1:0Þð100Þcot20 p given by Eq.(8.15). (8.15). max �3Þð1:9Þð1:0Þð100Þcot20 6pDNLhcotA � 10 isisgiven by Eq. Eq. (8.15). maxis max pgiven ¼by ¼ 6pð75 ¼ 20;499;874 6pDNLhcotA � ppmax  �3 10 Þð1:9Þð1:0Þð100Þcot20 máx max ¼ ¼ ¼ 20;499;874 Pa Pa pmax 2 6pDNLhcotA 6pð75 ¼ d2 dc2 ¼ � 10 Þð1:9Þð1:0Þð100Þcot20 ¼ 20;499;874 Pa pmax 2�3 Þ22 �3 ð6 � 10 �3 ð6 � 10 Þ ¼ ¼ 20;499;874 Pa pmax ¼ c dc �3 ð6Þð1:9Þð1:0Þð100Þcot20 � Þ �3 �3 �3 10 6pDNLhcotA 6pð75���10 10 d2c 6pDNLhcotA 6pð75 10 Þð1:9Þð1:0Þð100Þcot20 Þð1:9Þð1:0Þð100Þcot20 ð6 � 10 Þ2 ¼6pð75 20;499;874Pa Pa pmax¼¼¼6pDNLhcotA ¼ ¼ ¼¼¼20;499;874 20;499;874 Pa p p 2 �3 max max values define These two the intersection with the ordinate and abscissa for the extruder 2d2 the 2Þy 22 la and �3 �3 Estos dos valores definen la intersección con la ordenada abscisa para la característica del These two values define intersection with the ordinate abscissa for the extruder ð6 � 10 d d ð6 ð6 � � 10 10 Þ Þ c These two values define the intersection with the ordinate and abscissa for the extruder cc characteristic. These two values define the intersection with the ordinate and abscissa for the extruder extrusor. characteristic. characteristic. ¼abscissa 6.5 mm and L ¼ 20 mm (b) factor for a circular die opening with D characteristic. These twoThe values define the intersection with thedado ordinate abscissa the extruder d= dextruder b)(b) Eltwo factor deshape forma para una abertura circular de con 6.5 mm yfor Lfor = mm, se These These two values values define define the the intersection intersection with with the the ordinate ordinate and abscissa for the extruder ¼ 6.5 mm and Ld the ¼20 20 mm The shape factor for afor circular die opening with DdDand dand d (b) The shape factor a circular die opening with D d ¼ 6.5 mm and Ld ¼ 20 mm can be determined from Eq. (8.17). ¼ 6.5 mm and L ¼ 20 mm (b) The shape factor for a circular die opening with D characteristic. d d puede determinar a partir de la ecuación (8.17). characteristic. characteristic. can be determined from Eq. (8.17). can be determined from Eq. (8.17). can be determined from Eq. for (8.17). 6.5mm mmand andLLL 20mm mm (b)The Theshape shape factor foraaacircular circular die openingwith withD D d d 4opening ¼¼¼6.5 6.5 mm and ¼¼¼20 20 mm (b) (b) The shape factor factor for circular die opening with D ddd ddd 4�3 pð6:5 ��3 10Þdie �12 �3Þ 4 5 pð6:5 � 10 can be determined from Eq. (8.17). �12 5 ¼ 21:9ð10Þ�12 m 5=Ns K pð6:5 � 10 Þ �3 s ¼ can can be be determined determined Eq. Eq. (8.17). (8.17). ¼Þ21:9ð10 ¼ m5ÞÞ =Ns Kfrom sfrom � 10�3 Þ4��3  m =Ns K ¼pð6:5 ¼ 21:9ð10 �12 128ð100Þð20 10Þ¼�3 � 10 21:9ð10 Þ m =Ns Ks ¼ s128ð100Þð20 4 �3 128ð100Þð20 � 10 Þ �34Þ4 �3 �3 pð6:5 � 10 128ð100Þð20 pð6:5 pð6:5��10 10 ÞÞ �12 �12 �12 555 =Ns 21:9ð10 ¼ the m This shape factor defines slope of the die characteristic. ¼¼¼ 21:9ð10 21:9ð10 ¼ ÞÞÞm m =Ns =Ns KKK s ss¼ This shape factor defines the slope of the die characteristic. �3 �3 �3 This shape factor defines the slope of the die characteristic. 128ð100Þð20 � 10 Þ 128ð100Þð20 128ð100Þð20 � � 10 10 Þ Þ and at which screw (c) The operating point is defined by the values of Q This factor defines the slope of the die characteristic. Esteshape factor de forma define la pendiente de la característica del dado. x p atppwhich thethe screw (c) (c) TheThe operating point is defined by the values of Q at which the screw operating point is defined by the values ofx and Qx and characteristic intersects with the die characteristic. The extruder characteristic can and p at which the screw (c) The operating point is defined by the values of Q c) El punto de operación está definido por los valores de Q y p, en los que la característica This shape factor defines the slope of the die characteristic. This This shape shape factor factor defines defines the slope of of the the die die characteristic. characteristic. xx characteristic intersects withthe theslope die die characteristic. TheThe extruder characteristic can can be be characteristic intersects with the characteristic. extruder characteristic be and , which which is screw as operating the equation ofdado. the straight line QQ and at the screw (c) The operating point isdefined defined by thebetween values of Q characteristic intersects with the die characteristic. The extruder characteristic can be delexpressed tornillo se interseca con la del La característica del Q tornillo se expresa como lathe ecuación max max xand and ppppat which which the screw (c) (c) The The point point defined by by the the values values of of and pmax ,at which is expressed as the equation of the straight line between xxx max expressed as operating the equation ofisis the straight line between QQ max and pmax, which is characteristic intersects the diecharacteristic. characteristic. The extruder canbe be and pmax ,characteristic which is can expressed theentre equation the,the straight line betweenThe Q decharacteristic la líneaas recta Qmáx yof pwith que es max máx characteristic intersects intersects with with the die die characteristic. The extruder extruder characteristic characteristic can be Q¼x Q ¼ Qas � ðQ =pmax Þpthe straight line between Qmax and pmax, which is max max expressed the equation of Q � ðQ =p Þp maxand max and ppmax , , which which isis expressed expressed as asmax the the� equation equation of the the straight line line between between Q Qmax x Q ¼max max Q ðQmaxmax =pof Þp straight max max � ðQmax =pmax Þpmax Qx ¼ xQmax �9 �9 máx máx máx �9 �9 �9 �9 �12 �12 Þ � ð53; 525ð10 Þ=20; 499; 874Þp ¼ 53; 525ð10 Þ � 2:611ð10 ¼ 53; 525ð10 �9 ð53; 525ð10 Þ=20; �9 499; 874Þp ¼ 53; 525ð10 Þ � �9 2:611ð10 �12Þp Þ� Þp ¼ 53; 525ð10 Þ � ð53; 525ð10 Þ=20; 499; 874Þp ¼ 53; 525ð10 Þ � 2:611ð10 Þp ¼ 53; 525ð10 Q ¼ Q � ðQ =p Þp �9 �9 �9 �12 x max max max Q Q ¼ ¼ Q Q � � ðQ ðQ =p =p Þp Þp xx 53; max max max max max 53 525 53 525 20 499 874 53 525 Þ max � ð53; 525ð10 Þ=20; 499; 874Þp ¼ 53; 525ð10 Þ � 2:611ð10 Þp(8.18) ¼ 525ð10 (8.18) �9 �9 �9 �12 (8.18) �9 �9 Þ � ð53; 525ð10 �9 Þ=20; 499; 874Þp ¼ 53; 525ð10 �9 Þ � 2:611ð10 �12 �12 Þp 53;525ð10 525ð10 (8.18) ÞÞ��ð53; ð53;525ð10 525ð10�9 Þ=20; Þ=20;499; 499;874Þp 874Þp¼¼53; 53;525ð10 525ð10�9 ÞÞ��2:611ð10 2:611ð10 Þp Þp ¼¼¼53; 53; 525ð10 in part (b). characteristic is given Eq. (8.16) using value of K s computed in part (b). TheThe die die characteristic is given by by Eq. (8.16) using thethe value of K (8.18) (8.18) (8.18) in part (b). The die characteristic is given by Eq. (8.16) using the value ofs computed Ks computed The die characteristic is given by Eq. (8.16) using the value of K computed in part (b). La característica del dado está dada por la ecuación (8.16), con els uso del valor de Ks, que se �12 �12 �12 Q(8.16) ¼ 21:9ð10 Þp computedin part(b). (b). Thedie diecharacteristic characteristic givenby byQ Eq. using the valueof ofKKK x(8.16) scomputed calculó en el inciso b). isisisgiven 21:9ð10 Þp ininpart part (b). The The die characteristic given by Eq. Eq. using using the the value value of ssscomputed x ¼ Q(8.16) Þp �12 x ¼ 21:9ð10 Qx ¼ 21:9ð10 Þp �12 equations equal, we have �12 �12 Qx¼ ¼21:9ð10 21:9ð10 Þp  Setting thethe twotwo equations equal, weQ have Setting Q 21:9ð10 Þp Þp Setting the two equations equal, we have xx ¼ Setting the two equations equal, we have �9 �9 �12 �12 �12 �12 525ð10 Þwe �have 2:611ð10 Þp21:9ð10 ¼ 21:9ð10 Setting thedos two equations equal, have �9 �12¼ �12Þp 53; 53; 525ð10 Þ� Þp Þp Setting the two equations equal, we two equations equal, we AlSetting igualarthe las ecuaciones, se tiene 53; 525ð10 Þ2:611ð10 �have 2:611ð10 Þp ¼ 21:9ð10 Þp �9 �12 �12 53; 525ð10 Þ � 2:611ð10 Þp �6 ¼ 21:9ð10 Þp �6 Þ Pa p ¼ 2:184ð10 �9¼ 2:184ð10 �12 �12 �12 �6 Þ Pa p �9 �9 �12 �12 �12 53 525 53; 525ð10 �2:611ð10 2:611ð10 ÞpÞ¼¼ ¼21:9ð10 21:9ð10 Þp Pa p ¼ 2:184ð10 �6 Þp 53; 525ð10 53; 525ð10 ÞÞ�� 2:611ð10 Þp 21:9ð10 Þp Þp Þ Pa p Þ¼ 2:184ð10 Solving for Qx using one of the starting equations,  �6 obtain �6 �6 we Solving for for Qx using oneone of the starting equations, obtain 2:184ð10 Pawe ÞÞÞPa Pa pstarting pp¼¼¼2:184ð10 2:184ð10 Solving Qx using of the equations, we obtain Solving for Qx using one of the starting equations, we obtain �6 �6 �12 �12 6 we66Þobtain �6 �6 Q ¼ 53:525ð10 Þthe � starting 2:611ð10 Þð2:184Þð10 ¼ 47:822ð10 m33=s Solving for Q one of the starting equations, xxx53:525ð10 xusing �6 �12 �6Þ3 =s Q ¼ Þof � Þð2:184Þð10 Þ ¼obtain Þm Solving for Q using one of the equations, equations, we we obtain x xQ AlSolving resolverfor para Q ,using con elone empleo de una de las ecuaciones se obtiene Q 53:525ð10 Þ2:611ð10 � starting 2:611ð10 Þð2:184Þð10 Þ47:822ð10 ¼ 47:822ð10 �6 �12 6 iniciales, �6 3 Þ m =s x¼ x Qx ¼ 53:525ð10 Þ � 2:611ð10 Þð2:184Þð10 Þ ¼ 47:822ð10 Þ m =s �6 equation �12 �12 verification, �6 333 Checking this with other �6 �6 �12 666 Þ ¼ 47:822ð10 �6 Checking this with thethe other for for verification, Q 53:525ð10 2:611ð10 Þð2:184Þð10 m=s =s Q Q ¼¼53:525ð10 53:525ð10 Þequation ÞÞ���equation 2:611ð10 2:611ð10 Þð2:184Þð10 Þð2:184Þð10 ÞÞ¼¼47:822ð10 47:822ð10�6 ÞÞÞm m =s Checking  this with the other for verification, xxx¼ Checking this with the other equation for verification, �12 6 �6 3 �12 6 �6 �6Þ3 m =s Q ¼ Þð2:184Þð10 ¼ 47:82ð10 Checking this with the other equation forverification, verification, x 21:9ð10 & & �12 AlChecking revisar esta ecuación con la21:9ð10 otra para comprobar, Qxthe ¼ Þð2:184Þð10 Þ ¼6ÞÞ47:82ð10 Þ m Þ=s this with other equation for Checking this with the other equation for verification, & Q Þð2:184Þð10 ¼ 47:82ð10 m3 =s �12 x ¼ 21:9ð10 & Qx ¼ 21:9ð10 Þð2:184Þð106 Þ ¼ 47:82ð10�6 Þ m3 =s �12 6 �6 3 �12 �12 Þð2:184Þð10 �6 �6 Þ m  ■ 21:9ð10 47:82ð10 =s Qx¼¼¼21:9ð10 & & & Q Q 21:9ð10 Þð2:184Þð10 Þð2:184Þð1066ÞÞÞ¼¼¼47:82ð10 47:82ð10 ÞÞm m33=s =s xx

8.2.3DIEDIE CONFIGURATIONS AND EXTRUDED PRODUCTS 8.2.3 CONFIGURATIONS AND EXTRUDED PRODUCTS 8.2.3 DIE CONFIGURATIONS AND EXTRUDED PRODUCTS 8.2.3 DIE CONFIGURATIONS AND EXTRUDED PRODUCTS The shape of the orifice determines cross-sectional shape the extrudate. 8.2.3  Configuraciones delofdado ydie productos extruidos The shape the die orifice determines thethe cross-sectional shape of of the extrudate. The shape of the die orifice determines the cross-sectional shape of the extrudate. 8.2.3 DIE DIECONFIGURATIONS CONFIGURATIONS AND EXTRUDED PRODUCTS 8.2.3 8.2.3 DIE CONFIGURATIONS AND AND EXTRUDED EXTRUDED PRODUCTS PRODUCTS canofenumerate the common die the profiles and corresponding shapes as TheWe shape the die orifice determines cross-sectional shape ofextruded the extrudate. We can can enumerate thedado common die la profiles and corresponding extruded shapes as as La forma del enumerate orificio del determina forma de laand sección transversal del extruido. Se pueWe the common die profiles corresponding extruded shapes WeThe canshape enumerate the common die profilesthe and correspondingshape extruded shapes as The shape ofperfiles the die orifice determines the cross-sectional shape ofthe the extrudate. The shape of of the the die die orifice determines determines the cross-sectional cross-sectional shape of of the extrudate. extrudate. den enumerar los deorifice dado comunes y las formas extruidas correspondientes, como sigue: Wecan canenumerate enumeratethe thecommon commondie dieprofiles profilesand andcorresponding correspondingextruded extrudedshapes shapesas as We We can enumerate the common die profiles and corresponding extruded shapes as

154  CAPÍTULO 8  Procesos para dar forma a los plásticos

Placa rompedora Cilindro extrusor

Entrada convergente del dado Dado Anillo de sujeción

Dado de extrusión Perfil de la extrusión

Paquete de filtrado Tamaño de la abertura del dado (Dd para la forma redonda)

Dirección de flujo del fundido

a)

Longitud de la Polímero fundido abertura del dado, Ld b)

FIGURA 8.8  a) Vista lateral de la sección transversal de un dado de extrusión para formas sólidas regulares, como cilindros; b) vista frontal del dado, con el perfil del extruido. En ambas vistas es evidente la dilatación del dado. (Por claridad, se omiten o simplifican algunos detalles de construcción del dado.) (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

1) perfiles sólidos; 2) perfiles huecos, como tubos; 3) recubrimientos de alambre y cable; 4) lámina y película, y 5) filamentos. Las tres primeras categorías se estudian en la presente sección. Los métodos para producir lámina y película se examinan en la sección 8.3; y la producción de filamento, en la 8.4. En ocasiones, estas últimas formas involucran procesos de formado adicionales a la extrusión. Perfiles sólidos  Los perfiles sólidos incluyen formas regulares como círculos, cuadrados y secciones transversales como formas estructurales, molduras para puertas y ventanas, y accesorios para automóviles y viviendas. La sección trasversal de la vista lateral de un dado para estas formas sólidas se ilustra en la figura 8.8. Justo más allá del extremo del tornillo y antes del dado, el polímero fundido pasa a través del paquete de filtrado y una placa rompedora para fortalecer las líneas de flujo. Después fluye hacia la entrada (por lo general) convergente del dado, cuya forma está diseñada para mantener un flujo laminar y evitar puntos muertos en las esquinas que de otro modo estarían presentes cerca del orificio. Después, el fundido avanza a través de la abertura misma del dado. Cuando el material sale del dado, todavía está suave. Los polímeros con viscosidades de fundido altas son los mejores candidatos para la extrusión, ya que adoptan su mejor forma durante el enfriamiento. Éste se lleva a cabo por medio del soplo de aire, el rocío de agua, o al pasar el extruido a través de un conducto de agua. Para compensar la dilatación del dado, la abertura de éste se hace lo suficientemente larga para eliminar algo de la memoria del polímero fundido. Además, el extruido se suele extraer (estirar) para evitar la dilatación del dado. Para formas distintas a la redonda, la abertura del dado se diseña con una sección transversal que es ligeramente distinta del perfil que se desea, por lo que el efecto de la dilatación del dado es corregir la forma. En la figura 8.9 se ilustra dicha corrección para una sección transversal cuadrada. Debido a que polímeros diferentes presentan grados distintos de dilatación del dado, la forma de éste depende del material por extruir. Se requieren habilidad y criterio considerables por parte del diseñador de dados para obtener secciones transversales complejas. Perfiles huecos  La extrusión de perfiles huecos, como tubos, tuberías, mangueras, y otras secciones transversales de formas similares, requieren un mandril para obtener la forma hueca. En la figura 8.10 se presenta una configuración común del dado. El mandril es mantenido en su lugar con el empleo de una araña, que se aprecia en la sección A-A de la figura. El polímero fundido fluye alrededor de las patas que soportan al mandril para reunirse en una pared de tubo monolítica. Es frecuente que el mandril incluya un canal a través del cual se inyecta aire para mantener la forma hueca del extruido mientras se endurece. Las tuberías y los tubos se enfrían por medio de canales (cubas) de agua abiertos o jalando el extruido suave a través de un tanque

8.2 Extrusión  155

FIGURA 8.9  a) Sección transversal del dado que muestra el perfil del orificio requerido que se desea obtener b) un perfil cuadrado extruido. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

b)

a)

lleno de agua con mangas calibradoras que limitan el diámetro exterior del tubo mientras se mantiene la presión del aire en el interior. Recubrimiento de alambre y cable  El recubrimiento de alambre y cable para aislamiento es

uno de los procesos de extrusión de polímeros más importantes. Como se aprecia en la figura 8.11, para recubrir alambre se aplica el polímero fundido a éste conforme se tira de él a alta velocidad a través de un dado. Se crea un vacío ligero entre el alambre y el polímero para facilitar la adhesión del recubrimiento. El alambre tenso provee rigidez durante el enfriamiento, a lo que, por lo general, se contribuye haciendo pasar el alambre recubierto a través de una cuba de agua. El producto se enrolla en carretes grandes a velocidades de hasta 50 m/s (10 000 pies/min).

8.2.4  Defectos de la extrusión Los productos extruidos presentan varios defectos. Uno de los peores es la fractura del fundido, en la que los esfuerzos que actúan sobre el fundido inmediatamente antes y durante su paso a

Placa rompedora Polímero fundido

Cilindro extrusor

Sección A-A

A B

Paquete de filtrado Dirección de flujo del fundido

Sección B-B

Patas de araña (3)

v B Pata de araña (3) Mandril

Canal de aire A

Entrada de aire

FIGURA 8.10  Sección transversal de la vista lateral de un dado de extrusión para dar forma a secciones transversales huecas, como tubos y tuberías; la sección A-A es una sección transversal de la vista frontal que muestra la forma en que el mandril permanece en su sitio; la sección B-B muestra la sección transversal tubular justo antes de salir del dado; la dilatación del dado ocasiona una dimensión mayor del diámetro. (Se han simplificado algunos detalles de la construcción del dado.) (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

156  CAPÍTULO 8  Procesos para dar forma a los plásticos

Dirección del flujo fundido Paquete de filtrado

Cilindro extrusor vertical

FIGURA 8.11  Sección transversal de la vista latePlaca rompedora ral del dado para recubrir conductores eléctricos por Tubo central medio de extrusión. (Se simplificaron algunos deta- Entrada del alambre lles de la construcción del desnudo dado.) (Crédito: Fundamenv tals of Modern ManufactuSello del vacío ring, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.) Extracción parcial del vacío

Polímero fundido Secciones del dado Salida del alambre recubierto v

través del dado son tan grandes que ocasionan una falla, que se manifiesta en forma de la superficie muy irregular del extruido. Como se sugiere en la figura 8.12, la fractura del fundido puede ser ocasionada por una reducción brusca de la entrada del dado, lo que provoca un flujo turbulento que rompe el fundido. Esto contrasta con las líneas de corriente del flujo laminar en el dado que converge en forma gradual de la figura 8.8. Un defecto más común de la extrusión es la piel de tiburón, en la que la superficie del producto se arruga al salir del dado. Conforme el fundido fluye a través de la abertura del dado, la fricción en la interfase ocasiona un perfil de velocidad a través de la sección transversal, como se ve en la figura 8.13. Los esfuerzos de tensión aparecen en la superficie al estirarse este material para estar a la par con el núcleo central que se mueve más rápido. Estos esfuerzos ocasionan rupturas menores que arrugan la superficie. Si el gradiente de velocidad se vuelve extremo, aparecen marcas prominentes en la superficie, lo que le da el aspecto de una caña de bambú; de ahí el nombre de bambú para este defecto más severo.

8.3  Producción de láminas y película Las láminas (hojas) y películas de polímeros termoplásticos se producen por medio de varios procesos; los más importantes son dos métodos que se basan en la extrusión. El término lámina

Extruido Dirección del flujo fundido v

FIGURA 8.12  Fractura del fundido, ocasionada por el flujo turbulento del líquido a través de una entrada del dado que se reduce en forma abrupta. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

8.3  Producción de láminas y película   157

Dirección del flujo fundido

v

v

a)

b)

FIGURA 8.13  a) Perfil de velocidad del fundido conforme pasa a través de la abertura del dado, lo que lleva a defectos llamados piel de tiburón y b) bambú. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

se refiere a material cuyo espesor es de 0.5 mm (0.020 pulg) a alrededor de 12.5 mm (0.5 pulg), y se usa para productos como recubrimientos para ventanas y materiales para termoformados (sección 8.9). El término película se refiere a espesores por debajo de 0.5 mm (0.020 pulg). Las películas delgadas se usan para empacar (material para envolver productos, bolsas para abarrotes y basura); las aplicaciones de película más gruesa incluyen cubiertas y forros (cubiertas para albercas y para canales de irrigación). Todos los procesos que se estudian en esta sección son operaciones continuas de producción elevada. Más de la mitad de las películas que se producen hoy día son de polietileno, la mayor parte PE de baja densidad. Los demás materiales principales son el polipropileno, cloruro de polivinilo y celulosa regenerada (celofán). Todos éstos son polímeros termoplásticos. Extrusión de lámina y película con dado de rendija  Se producen láminas y películas de es-

pesores diversos por medio de extrusión convencional, con el uso de una rendija angosta como abertura del dado. Ésta puede medir hasta 3 m (10 pies) de ancho y ser tan angosta como 0.4 mm (0.015 pulg). En la figura 8.14 se ilustra una configuración posible del dado. Éste incluye un distribuidor, el polímero en forma lateral antes de que fluya a través de la rendija (el orificio del dado). Una de las dificultades de este método de extrusión es la uniformidad del espesor a todo lo ancho del material. Esto se debe al cambio drástico de forma que experimenta el polímero fundido durante su flujo a través del dado, y a las variaciones de la temperatura y presión en el

Sección A-A

Dirección del flujo fundido

A B

Sección B-B

Distribuidor Distribuidor Rendija del dado

Película extruida v

v F

F

A

v

B F

F

F

FIGURA 8.14  Una de varias configuraciones de dado para extruir láminas y películas. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

158  CAPÍTULO 8  Procesos para dar forma a los plásticos

Cilindro extrusor

Rendija del dado

Cilindro extrusor Rendija del dado

Al secado y enrollado

Película extruida

Al enrollado

v

v

Rodillos enfriadores

Inmersión súbita en agua

Película a)

b)

FIGURA 8.15  Uso de a) un baño de temple en agua o b) rodillos fríos, para lograr la solidificación rápida de la película fundida después de la extrusión. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

dado. Por lo general, los bordes de la película deben recortarse debido al engrosamiento que ahí ocurre. Para lograr tasas altas de producción, debe integrarse al proceso de extrusión un método eficiente de enfriamiento y recolección de la película. Por lo general, esto se hace dirigiendo de inmediato el material extruido hacia un baño de temple en agua o hacia rodillos enfriadores (refrigerantes), como se muestra en la figura 8.15. El método de los rodillos enfriadores parece tener más importancia comercial. En contacto con los rodillos refrigerantes, el extruido se enfría y solidifica con rapidez; en efecto, el extrusor sirve como dispositivo alimentador para los rodillos enfriadores que en realidad dan forma a la película. El proceso es notable por sus velocidades muy altas de producción, 5 m/s (1 000 pies/min). Además, es posible alcanzar tolerancias estrechas para el espesor de la película. Debido al método de enfriamiento que se usa en este proceso, se le conoce como extrusión con rodillo refrigerante. Proceso de extrusión de película soplada  Éste es el otro proceso muy usado para hacer película delgada de polietileno para empaque. Es un proceso complejo que combina la extrusión y el soplado para producir un tubo de película delgada; se explica mejor con referencia al diagrama de la figura 8.16. El proceso comienza con la extrusión de un tubo que se jala de inmediato hacia arriba mientras aún está fundido, y se expande en forma simultánea por medio de aire que entra a su interior a través del mandril del dado. Una “línea de congelación” marca la posición en que ocurre la solidificación del polímero de la burbuja que asciende. La presión del aire en la burbuja debe permanecer constante para mantener uniforme el espesor de la película y el diámetro del tubo. El aire es contenido en el tubo por medio de rodillos de presión que comprimen al tubo una vez que se ha enfriado. Los rodillos guía y los de compresión o aplanado también se utilizan para fijar el tubo soplado y dirigirlo hacia los rodillos de compresión. Luego se colecta el tubo plano en un carrete. El efecto del inflado por aire es estirar la película en ambas direcciones conforme se enfría desde su estado fundido. Esto da como resultado propiedades isotrópicas de resistencia, lo que es una ventaja sobre otros procesos en los que el material primero se estira en una dirección. Otras ventajas incluyen la facilidad con la que pueden cambiarse la velocidad de extrusión y la presión del aire para controlar el ancho y espesor del material. Si se compara este proceso con la extrusión por dado de rendija, el método de la película soplada produce una película más resistente (de modo que puede usarse una película más delgada para empacar un producto), pero el control del espesor y las tasas de producción son menores. La película soplada final puede almacenarse en forma tubular (por ejemplo, para bolsas de basura), o cortarse después por las orillas a fin de obtener dos películas delgadas paralelas. Calandrado  Éste es un proceso para producir láminas y películas a partir de hule (sección 9.14) o termoplásticos ahulados como el PVC plastificado. En el proceso, el material inicial pasa por

8.4  Producción de fibras y filamentos (hilado)   159

Rodillos de presión Rodillos aplanadores (de compresión) Al carrete de enrollado Rodillos de guía

Línea de solidificación Película plástica soplada FIGURA 8.16  Proceso de película soplada para la producción a gran escala de película tubular delgada. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

Dado de tubo Extrusor

Entrada de aire

una serie de rodillos que lo trabajan y reducen su espesor a la medida deseada. En la figura 8.17 se presenta un arreglo común. El equipo es caro, pero la tasa de producción es alta; es posible alcanzar velocidades que se acercan a 2.5 m/s (500 pies/min). Se requieren controles precisos de las temperaturas, presiones y velocidad rotacional de los rodillos. El proceso es notable por el buen acabado superficial y alta precisión en las medidas de la película. Los productos de plástico elaborados con el proceso de calandrado incluyen cubiertas de PVC para pisos, cortinas para baño, manteles de vinilo, cubiertas para albercas, lanchas y juguetes inflables.

8.4  Producción de fibras y filamentos (hilado) La aplicación más importante de las fibras y filamentos se da en los textiles. Su uso como materiales de refuerzo de los plásticos (compósitos) es una aplicación que va en aumento, pero aún es pequeña en comparación con los textiles. Una fibra se define como una hebra larga y delgada de material cuya longitud es finita. Un filamento es una hebra de longitud continua.

Alimentación de material

FIGURA 8.17  Configuración común de rodillos en el calandrado. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

Material plano (forma de lámina)

160  CAPÍTULO 8  Procesos para dar forma a los plásticos

Las fibras son naturales o sintéticas. Las sintéticas constituyen alrededor de 75% del mercado de fibras actual, de las que el poliéster es la más importante, seguido por las de nylon, acrílico y rayón. Las fibras naturales constituyen cerca de 25% del total producido, con el algodón en el lugar más importante, por mucho (la producción de lana es mucho menor que la de algodón). El término hilado agrupa los métodos que se emplean para obtener y tejer las fibras naturales en hilos o hilazas. En la producción de fibras sintéticas, el término se refiere al proceso de extruir un polímero fundido o solución a través de una hilera (dado con muchos orificios pequeños) para hacer los filamentos, los que luego se extraen y enrollan en una bobina. Hay tres principales variantes en la torsión de fibras sintéticas, dependiendo del polímero que se procese: 1) hilado fundido, 2) hilado seco y 3) hilado húmedo. El hilado fundido se emplea cuando el polímero de inicio se procesa mejor si se calienta hasta fundirlo y se bombea a través de la hilera, en forma muy parecida a la extrusión convencional. Una hilera común mide 6 mm (0.25 pulg) de espesor y contiene aproximadamente 50 orificios con diámetro de 0.25 mm (0.010 pulg); los orificios están dispuestos de tal modo que la abertura resultante tiene una razón L/D de sólo 5/1 o menos. Los filamentos que salen del dado se jalan y en forma simultánea se enfrían con aire antes de ponerlos juntos y enrollarlos en la bobina, como se ilustra en la figura 8.18. Mientras el polímero aún se encuentra fundido, tiene lugar una extensión y adelgazamiento significativos del filamento, de modo que el diámetro final del que se enrolla en la bobina puede ser de sólo 1/10 del tamaño que se extruye. El hilado fundido se utiliza para el poliéster y nylon. Como éstas son las fibras sintéticas más importantes; el hilado fundido es el más importante de los tres procesos para elaborar fibras sintéticas. En el hilado seco, el polímero de inicio está en solución, y el solvente se separa por evaporación. El extruido se jala a través de una cámara caliente que elimina el solvente; por otro lado, la secuencia es similar a la anterior. Las fibras de acetato de celulosa y acrílico se producen con este proceso. En el hilado húmedo, el polímero también está en solución, sólo que el solvente no es volátil. Para separar al polímero, debe pasarse al extruido a través de un producto químico líquido que coagula o precipita al polímero en hebras coherentes que luego se colocan en bobinas. Este método se emplea para producir rayón (fibras de celulosa regeneradas).

Tolva de alimentación

Partículas de polímero

Unidad de calentamiento Polímero fundido Bomba Hilera Hilera Región de extracción del fundido

Solidificación

Enfriamiento por aire

Acondicionamiento con vapor (humedad)

FIGURA 8.18  Hilado fundido de filamentos continuos. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

Rodillo de alimentación

Rodillo conductor del hilo

Bobina (extracción)

8.6  Moldeo por inyección   161

Los filamentos producidos con cualquiera de los tres procesos, por lo general están sujetos a un estirado adicional en frío para alinear la estructura cristalina a lo largo de la dirección del eje del filamento. Las extensiones típicas son de 2 a 8 [13]. Esto tiene el efecto de incrementar en forma significativa la resistencia a la tensión de las fibras. El estirado se lleva a cabo jalando el hilo entre dos carretes, de los que el que enrolla se mueve a velocidad mayor que el que se desenrolla.

8.5  Procesos de recubrimiento El recubrimiento con plástico (o hule) involucra la aplicación de una capa del polímero dado sobre un material que es el sustrato. Se distinguen tres categorías [6]: 1) recubrimiento de alambre y cable; 2) recubrimiento planar, que involucra recubrir una película plana, y 3) recubrimiento de contorno, que cubre un objeto tridimensional. Ya se estudió el recubrimiento de alambre y cable (sección 8.2.3); se trata en lo básico de un proceso de extrusión. Las otras dos categorías se analizan en los párrafos que siguen. Además, existe tecnología para aplicar pinturas, barnices, lacas y otros recubrimientos similares (sección 21.6). El recubrimiento planar se emplea para cubrir telas, papel, tableros y papel metálico; estos artículos son productos principales para ciertos plásticos. Los polímeros importantes incluyen polietileno y polipropileno, con aplicaciones menores para el nylon, PVC y poliéster. En la mayoría de casos, el recubrimiento mide sólo de 0.01 a 0.05 mm (0.0005 a 0.002 pulg) de espesor. En la figura 8.19 se ilustran las dos técnicas principales de recubrimiento planar. En el método del rodillo se exprime el material de polímero para recubrir, contra el sustrato, por medio de rodillos opuestos. Con el método del bisturí (doctor blade method, en inglés), un cuchillo afilado controla la cantidad de polímero fundido con que se recubre al sustrato. En ambos casos, el material de recubrimiento se suministra ya sea con un proceso de extrusión con dado de rendija, o por calandrado. El recubrimiento de contorno de objetos tridimensionales se lleva a cabo por inmersión o aspersión. La inmersión consiste en sumergir el objeto en un baño apropiado de polímero o solución fundidos, seguido de enfriamiento o secado. La aspersión (como la pintura por rociado) es un método alternativo para aplicar recubrimiento de polímero a un objeto sólido.

8.6  Moldeo por inyección El moldeo por inyección es un proceso con el que se calienta un polímero hasta que alcanza un estado muy plástico y se le fuerza a que fluya a alta presión hacia la cavidad de un molde, donde

Suministro de polímero Alimentación

v

Rodillos de presión

Material base

Suministro de polímero v Material base

Carrete de extracción a)

Alimentación Bisturí

Carrete de extracción b)

FIGURA 8.19  Procesos de recubrimiento planar: a) método del rodillo y b) método del bisturí (Doctor blade en inglés). (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

162  CAPÍTULO 8  Procesos para dar forma a los plásticos

se solidifica. Entonces, la pieza moldeada, llamada moldeado, se retira de la cavidad. El proceso produce componentes específicos o discretos que casi siempre son de forma neta. Es común que el ciclo de producción dure de 10 a 30 segundos, aunque no son raros ciclos de un minuto o más para las piezas grandes. Asimismo, el molde puede contener más de una cavidad, de modo que en cada ciclo se producen varios moldeados o piezas moldeadas. Es posible obtener formas complejas e intrincadas con el moldeo por inyección. El reto en esos casos es fabricar un molde cuya cavidad tenga la misma forma que la pieza, y que también permita el retiro de ésta. El tamaño de la pieza varía de alrededor de 50 g (2 oz) hasta 25 kg (más de 50 libras), el límite superior está representado por componentes como puertas de refrigerador y defensas de autos. El molde determina la forma y el tamaño de la pieza, y es la herramienta especial en el moldeo por inyección. Para piezas complejas y grandes, el molde llega a costar cientos de miles de dólares. Para piezas pequeñas, el molde se puede construir para que contenga cavidades múltiples, lo que también hace que sea caro. Así, el moldeo por inyección es económico sólo para cantidades grandes de producción. El moldeo por inyección es el proceso que más se usa para los termoplásticos. Algunos termofijos y elastómeros se moldean por inyección, con modificaciones en el equipo y parámetros de operación, a fin de permitir el enlazamiento cruzado de estos materiales. En la sección 8.6.4 se estudian éstas y otras variaciones del moldeo por inyección.

8.6.1  Proceso y equipo El equipo para moldeo por inyección evolucionó a partir de la fundición de metales en dados. Como se ilustra en la figura 8.20, una máquina de moldeo por inyección consta de dos componentes principales: 1) la unidad de inyección de plástico y 2) la unidad de sujeción del molde. La unidad de inyección es muy parecida a un extrusor. Consiste en un cilindro al que se alimenta desde un extremo por una tolva que contiene un suministro de partículas (pellets) de plástico. Dentro del cilindro hay un tornillo cuya operación sobrepasa la del tornillo extrusor en el siguiente aspecto: además de girar para mezclar y calentar el polímero, también actúa como un ariete que se mueve con rapidez hacia adelante para inyectar plástico fundido al molde. Una válvula sin retorno montada cerca de la punta del tornillo impide que el fundido fluya hacia atrás a lo largo de la rosca del tornillo. En una etapa posterior del ciclo de moldeo, el ariete vuelve a su posición original. Debido a su acción doble, se denomina tornillo reciprocante. En resumen, las funciones

Tolva de alimentación

Calentadores

Cilindro Tornillo reciprocante

Cilindro para el tornillo-ariete

Placa estacionaria Placa móvil Molde Barras tensoras (4) Cilindro de sujeción

Boquilla

Válvula de Motor y engranes no retorno para la rotación del tornillo Unidad de inyección

Cilindro hidráulico Unidad de sujeción

FIGURA 8.20  Diagrama de una máquina de moldeo por inyección, del tipo de tornillo reciprocante (se han simplificado algunos detalles mecánicos). (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

8.6  Moldeo por inyección   163

Placa móvil

Cavidad

v

Polímero fundido Válvula de no retorno

v, F

F

1)

2) Etapa de solidificación

Polímero fundido nuevo, para el disparo (inyección) siguiente

Moldeo

v

v

F

N

3)

4)

FIGURA 8.21  Ciclo común de moldeo: 1) molde cerrado, 2) se inyecta fluido a la cavidad, 3) se retrae el tornillo y 4) se abre el molde, y la pieza se expulsa. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

de la unidad de inyección son fundir y homologar el polímero, y en seguida inyectar éste en la cavidad del molde. La unidad de sujeción se relaciona con la operación del molde. Sus funciones son 1) mantener las dos mitades del molde alineadas en forma correcta una con otra; 2) mantener cerrado al molde durante la inyección, por medio de la aplicación de una fuerza que lo sujeta lo suficiente para resistir la fuerza de inyección, y 3) abrir y cerrar el molde en los momentos apropiados del ciclo de inyección. La unidad de sujeción consiste en dos placas, una fija y otra móvil, y un mecanismo para mover ésta. El mecanismo básicamente es una prensa de potencia que funciona por medio de un pistón hidráulico o dispositivos de desplazamiento mecánico de varios tipos. Las máquinas grandes disponen de fuerzas de sujeción de varios miles de toneladas. El ciclo para el moldeo por inyección de un polímero termoplástico procede en la siguiente secuencia, como se ilustra en la figura 8.21. La acción comienza con el molde abierto y la máquina lista para comenzar un nuevo moldeo: 1) el molde se cierra y se sujeta. 2) Se realiza un disparo (inyección) de fundido a alta presión hacia la cavidad del molde, el cual se ha puesto a la temperatura y viscosidad correctas por medio de calor y trabajo mecánico del tornillo. El plástico se enfría y comienza a solidificarse cuando se encuentra con la superficie fría del molde. Se mantiene la presión del ariete a fin de comprimir más fundido en la cavidad para compensar la contracción durante el enfriamiento. 3) El tornillo gira y se retrae con la válvula de no retorno abierta para permitir que polímero nuevo fluya hacia la parte delantera del cilindro. Entre tanto, el polímero en el molde se ha solidificado por completo. 4) El molde se abre, y la pieza se expulsa y retira.

8.6.2  El molde Es la herramienta especial en el moldeo por inyección; está diseñado sobre medida y se fabrica para la pieza específica que se ha de producir. Cuando termina la corrida de producción de esa pieza, el molde se reemplaza por otro para la pieza siguiente. En esta sección se estudian varios tipos de molde para inyección.

164  CAPÍTULO 8  Procesos para dar forma a los plásticos

Molde de dos placas  En la figura 8.22 se ilustra el molde de dos placas convencional, que consiste en dos mitades unidas a las dos placas de la unidad de sujeción de la máquina moldeadora. Cuando la unidad de sujeción se abre, también lo hacen las dos mitades del molde, como se ilustra en b). El rasgo más notorio del molde es la cavidad, que por lo general se forma con la extracción de metal de las superficies que se corresponden de las dos mitades. Los moldes pueden tener una cavidad o varias, a fin de producir más de una pieza en un solo disparo. La figura muestra un molde con dos cavidades. Las superficies de separación (o línea de partición, en la vista transversal del molde), son aquéllas donde el molde se abre para retirar la(s) pieza(s). Además de la cavidad, hay otros rasgos del molde que desempeñan funciones indispensables durante el ciclo del moldeo. Un molde debe tener canal de distribución por el que fluya el polímero fundido, de la boquilla del cilindro de inyección hacia la cavidad del molde. El canal distribuidor consiste en 1) un bebedero, que va de la boquilla al molde; 2) sistemas de alimentación, que van de la toma a la cavidad (o cavidades), y 3) compuertas, que restringen el flujo del plástico hacia la cavidad. La constricción incrementa la velocidad de corte, con lo que se reduce la viscosidad del polímero fundido. Hay una o más compuertas para cada cavidad del molde. Es necesario un sistema de eyección para expulsar la pieza moldeada de la cavidad en el extremo del ciclo de moldeo. Por lo general, son los pernos (pasadores) eyectores construidos en la mitad móvil del molde los que llevan a cabo esta función. La cavidad está dividida entre las dos mitades del molde de tal forma que la contracción natural del moldeo ocasiona que la pieza se adhiera a la mitad móvil. Cuando el molde se abre, los pernos eyectores empujan la pieza fuera de la cavidad del molde. Se requiere un sistema de enfriamiento para el molde. Éste consiste en una bomba externa conectada a pasajes en el molde, a través de los cuales circula agua para eliminar calor del plástico caliente. Debe evacuarse aire de la cavidad del molde conforme el polímero avanza. A través de los claros pequeños de los eyectores del molde pasa gran cantidad de aire. Además, es frecuente que se maquinen conductos de aire (respiraderos) estrechos en la superficie de separación; de alrededor de 0.03 mm (0.001 pulg) de profundidad y 12 a 25 mm (0.5 a 1.0 pulg) de ancho, estos canales permiten que el aire escape hacia el exterior, pero son demasiado pequeños para que el polímero fundido viscoso fluya a través de ellos. En resumen, un molde consiste en 1) una o más cavidades que determinan la forma de la pieza, 2) canales de distribución a través de los cuales el polímero fundido fluye a las cavidades,

Placa estacionaria Canales de agua Placa de apoyo (soporte)

Placa móvil Caja del eyector

Pieza moldeada (cavidad)

Placa del eyector (también llamada placa de golpeo)

Sistema de alimentación Boquilla Bebedero

Placa del perno (pasador) del eyector

Compuerta

Línea de partición

Extractor del bebedero

Pernos eyectores

Cojinete del bebedero

Pernos eyectores a)

b)

FIGURA 8.22  Detalles de un molde de dos placas para molde por inyección de termoplásticos: a) cerrado y b) abierto. El molde tiene dos cavidades para producir dos piezas en forma de copa (se muestra la sección transversal) con cada disparo de inyección. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

8.6  Moldeo por inyección   165

3) un sistema de eyección para la remoción de la pieza, 4) un sistema de enfriamiento y 5) conductos para permitir la evacuación del aire de las cavidades. Otros tipos de molde  Una alternativa al molde de dos placas es el molde de tres placas, que se ilustra en la figura 8.23, para la misma configuración geométrica de la pieza que antes. Este diseño de molde tiene ventajas. En primer lugar, el flujo de plástico fundido ocurre a través de una compuerta ubicada en la base de la pieza con forma de copa, en vez de en un lado. Esto permite una distribución más pareja de fundido en los lados de la copa. En el diseño de compuerta lateral del molde de dos placas de la figura 8.22, el plástico debe fluir alrededor del núcleo y unirse en el lado opuesto, posiblemente con la creación de una debilidad en la línea de soldadura. En segundo lugar, el molde de tres placas permite una operación más automática de la máquina moldeadora. Cuando el molde se abre, se divide en tres placas con dos aberturas entre ellas. Esta acción separa el sistema de alimentación de las piezas, que caen por gravedad en contenedores por debajo del molde. El bebedero y el sistema de alimentación de un molde convencional de dos o tres placas representan un desperdicio de material. En muchos casos se desechan y vuelven a usar; sin embargo, en otros, el producto debe hacerse de plástico “virgen” (aquel que no ha sido moldeado antes). El molde con sistema de alimentación en caliente elimina la solidificación del bebedero y sistema de alimentación al colocar calentadores alrededor de los canales correspondientes a los alimentadores. Aunque el plástico en la cavidad del molde se solidifica, el material en el bebedero y canales de alimentación permanece fundido, listo para inyectarse en la cavidad en el siguiente ciclo.

8.6.3  Contracción y defectos en el moldeo por inyección Los polímeros tienen coeficientes de expansión (dilatación) térmica elevados, y durante el enfriamiento del plástico en el molde ocurre una contracción significativa. La contracción de plásticos cristalinos tiende a ser mayor que para los polímeros amorfos. La contracción se expresa por lo general como la reducción en el tamaño lineal que ocurre durante el enfriamiento a temperatura ambiente a partir de la temperatura del molde para el polímero dado. Por ello, las unidades apropiadas son mm/mm (pulg/pulg) de la dimensión en estudio. En la tabla 8.1 se dan valores comunes para polímeros seleccionados.

Placa estacionaria Placa del molde estacionario Compuerta Cavidad Sistema de alimentación Boquilla Bebedero

Pernos eyectores Placa móvil Caja del eyector Placa del eyector

Placa intermedia del molde

Placa móvil del molde

Cojinete de bebedero

Placa de los pernos (pasadores) del eyector

Pernos eyectores Placa intermedia del molde a)

Bebedero y sistema de alimentación

Piezas moldeadas

b)

FIGURA 8.23  Molde de tres placas: a) cerrado y b) abierto. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

166  CAPÍTULO 8 

between betweenthem. them.This Thisaction actionseparates separatesthe therunner runnerfrom fromthe theparts, parts,which whichdrop dropbybygravity gravityinto into containers containersbeneath beneaththe themold. mold. The Thesprue sprueand andrunner runnerinina aconventional conventionaltwotwo-ororthree-plate three-platemold moldrepresent representwaste waste material. material.InInmany manyinstances instancesthey theycan canbebeground groundand andreused; reused;however, however,ininsome somecases casesthe the product productmust mustbebemade madeofof‘‘virgin’’ ‘‘virgin’’plastic plastic(plastic (plasticthat thathas hasnot notbeen beenpreviously previouslymolded). molded). The Thehot-runner hot-runnermold moldeliminates eliminatesthe thesolidification solidificationofofthe thesprue sprueand andrunner runnerbybylocating locating Procesos para dar forma a los the plásticos heaters around heaters around thecorresponding correspondingrunner runnerchannels. channels.Although Althoughthe theplastic plasticininthe themold mold cavity cavitysolidifies, solidifies,the thematerial materialininthe thesprue sprueand andrunner runnerchannels channelsremains remainsmolten, molten,ready readytoto bebeinjected injectedinto intothe thecavity cavityininthe thenext nextcycle. cycle. TABLA 8.1  Valores comunes de contracción para moldes de termoplásticos seleccionados

8.6.3 8.6.3

Contracción, mm/mm (pulg/ Plástico pulg) Plástico SHRINKAGE DEFECTS MOLDING SHRINKAGEAND AND DEFECTSINININJECTION INJECTION MOLDING

Contracción, mm/mm (pulg/ pulg)

0.025 0.006 coefficients, ABS Polietilenoand Polymers can Polymershave havehigh highthermal thermalexpansion expansion coefficients, andsignificant significantshrinkage shrinkage canoccur occur 0.004 Nylon-6, 6 0.020 Poliestireno during cooling of the plastic in the mold. Contraction of crystalline plastics tends to during cooling of the plastic in the mold. Contraction of crystalline plastics tends tobebe 0.005 Policarbonato 0.007 PVC

greater greaterthan thanfor foramorphous amorphouspolymers. polymers.Shrinkage Shrinkageisisusually usuallyexpressed expressedasasthe thereduction reductioninin linear size that occurs during cooling to room temperature from the molding temperature linearde size that occurs during cooling to room temperature from the molding temperature Compilado [14]. for forthe thegiven givenpolymer. polymer.Appropriate Appropriateunits unitsare aretherefore thereforemm/mm mm/mm(in/in) (in/in)ofofthe thedimension dimension under underconsideration. consideration.Typical Typicalvalues valuesfor forselected selectedpolymers polymersare aregiven givenininTable Table8.1. 8.1. the shrinkage. InIncommercial molding practice, LosFillers rellenos en el plastic plástico tienden areduce reducir la contracción. En la práctica comercial del Fillersinin the plastictend tendtotoreduce shrinkage. commercial molding practice, moldeo, antesvalues de hacer el molde debe obtenerse del productor los valores deobtained la contracción para shrinkage for the molding compound should bebe from the shrinkage values for thespecific specific molding compound should obtained from the elproducer compuesto específico por moldear. Con To elTo fin de compensar la shrinkage, contracción, las the compensate for dimensions ofof producerbefore beforemaking making themold. mold. compensate for shrinkage,the thedimensiones dimensionsde lathe cavidad del moldemust deben hacerse más grandes que las de la pieza especificada. Puede usarse la cavity bebe made than part dimensions. The themold mold cavity must madelarger larger thanthe thespecified specified part dimensions. Thefollowing following fórmula siguiente [14]: formula can used formula canbebe used[14]: [14]:

2 2 DD þþDD þþDD DD c ¼ pp p Sp S p Sp S c ¼

(8.19) (8.19) (8.19)

donde DcD= deofla cavidad, mm (pulg); = dimensión de la pieza moldeada, mm (in); DD part mm (in), S S¼¼ where ¼dimension dimension ofcavity, cavity,mm mm (in); ¼molded partdimension, dimension, mm (in),and and where D pmolded c¼ p¼ cdimensión pD (pulg), y S =values valores de la contracción obtenidos de third lathird tabla 8.1.on El tercer término del lado dereshrinkage from 8.1. term side corrects shrinkage valuesobtained obtained fromTable Table 8.1.The The term onthe theright-hand right-hand side corrects for that occurs ininthe cho deshrinkage la ecuación hace la corrección en la contracción. for shrinkage that occurs theshrinkage. shrinkage.

Ejemplo 8.3 Example 8.3 Example 8.3 Contracción en el Shrinkage Shrinkageinin moldeo por Injection InjectionMolding Molding inyección

LaThe longitud nominal de of una hecha ha de ser de 8080mm. mm. lathe dimenlength ofofpolietileno polyethylene isisto Determine Thenominal nominal length ofa parte apart partmade madede polyethylene tobe be80 mm.Determine Determine thecorcorsión correspondiente de la of cavidad del molde que compensará la contracción. responding dimension cavity that will for responding dimension ofthe themold mold cavity that willcompensate compensate forshrinkage. shrinkage. Solución:  partir de la tabla 8.1, la contracción para el polietileno S0.025. = 0.025. Con el (8.19), uso de Solution: Table 8.1, the shrinkage for polyethylene isisS es Using Eq. Solution:A From From Table 8.1, the shrinkage for polyethylene S¼¼ 0.025. Using Eq. (8.19), lathe ecuación (8.19), el diámetro de la cavidad del molde debe ser: themold moldcavity cavitydiameter diametershould shouldbe: be:



2 DD 80:0þþ80:0ð0:025Þ 80:0ð0:025Þþþ80:0ð0:025Þ 80:0ð0:025Þ2 c c¼¼80:0 ¼¼80:0 80:0þþ2:0 2:0þþ0:05 0:05¼¼82:05 82:05mm mm

■ &&

Debido a las diferencias de contracción entre los plásticos, las dimensiones del molde deben determinarse para el polímero en particular que habrá de moldearse. El mismo molde producirá TABLE tamaños de8.1 piezaTypical diferentes paraof distintos tiposfor de polímero. TABLE 8.1 Typicalvalues values ofshrinkage shrinkage formoldings moldingsofofselected selectedthermoplastics. thermoplastics. Los valores de la tabla 8.1 representan una simplificación grande del tema de la contracción. Shrinkage, Shrinkage, En realidad, ésta se ve afectada Shrinkage, por varios factores, cualquiera de los cuales alteraShrinkage, la cantidad de Plastic mm/mm (in/in) Plastic mm/mm Plastic mm/mm (in/in) Plastic mm/mm (in/in) contracción que experimenta un polímero dado. Los factores más importantes son la (in/in) presión 0.006 Polyethylene 0.025 de laABS inyección, tiempo de compactación, moldeo y espesor de la pieza. ConforABS 0.006 temperatura del Polyethylene 0.025 Nylon-6,6 0.020 Nylon-6,6 0.020 y se fuerza aPolystyrene Polystyrene 0.004 del me se incrementa la presión de la inyección que entre más material en la0.004 cavidad Polycarbonate PVC Polycarbonate 0.007 PVC 0.005simimolde, la contracción se reduce. El0.007 incremento del tiempo de compactación tiene un 0.005 efecto lar, si se supone que el polímero en la compuerta no se solidifica y sella la cavidad; el mantener Compiled from [14]. Compiled from [14]. la presión fuerza a que más material entre a la cavidad mientras ocurre la contracción. Por tanto, la contracción neta disminuye. La temperatura de moldeo se refiere a la que tiene el polímero en el cilindro, inmediatamente antes de la inyección. Se esperaría que una temperatura más alta del polímero incrementaría la contracción, con el razonamiento de que la diferencia entre las temperaturas de moldeo y ambiental es mayor. Sin embargo, la contracción en realidad es menor con temperaturas de moldeo más elevadas. La explicación es que las temperaturas más altas disminuyen de manera significativa la viscosidad del polímero fundido, lo que permite que se compacte más material dentro del molde; el efecto es el mismo para presiones de inyección más grandes. Así, el efecto sobre la viscosidad más que compensa la mayor diferencia de temperaturas. Por último, las piezas más gruesas presentan más contracción. Un molde se solidifica a partir del exterior; el polímero en contacto con la superficie del molde forma una capa (skin, en inglés) que crece hacia el centro de la pieza. En cierto punto de la solidificación, la compuerta se solidi-

8.6  Moldeo por inyección   167

fica, lo que aísla al material de la cavidad del sistema de alimentación y de la presión de compactación. Cuando esto ocurre, el polímero fundido dentro de la capa representa la mayor parte de la contracción restante que ocurre en la pieza. Una sección más gruesa de ésta experimenta una contracción mayor, debido a que contiene una proporción más grande de material fundido. Además del problema de la contracción, hay otras cosas que pueden salir mal. A continuación se mencionan defectos comunes de las piezas moldeadas por inyección: • Disparos insuficientes: Igual que en el fundido, un disparo insuficiente (inyección deficiente) es un moldeo que se solidifica antes de que la cavidad se llene por completo. El defecto se corrige si se incrementa la temperatura y/o la presión. El defecto también surge por el uso de una máquina con capacidad de disparo insuficiente, caso en el que es necesario un aparato más grande. • Rebabas: Éstas ocurren cuando el polímero fundido se escurre por la superficie de separación, entre las placas del molde; también sucede alrededor de los pernos de eyección. Por lo general, el defecto lo ocasionan 1) conductos de ventilación y claros demasiado grandes en el molde; 2) presión de inyección demasiado alta en comparación con la fuerza de sujeción; 3) temperatura de fusión demasiado elevada, o 4) tamaño excesivo del disparo o la dosis de inyección. • Marcas de hundimiento y huecos: Éstos son defectos que por lo general se relacionan con secciones moldeadas gruesas. Una marca de hundimiento (marca hundida) ocurre cuando la superficie exterior del molde se solidifica, pero la contracción del material del interior hace que la capa se reduzca por debajo del perfil que se planeaba. Un hueco es ocasionado por el mismo fenómeno básico; sin embargo, el material de la superficie conserva su forma y la contracción se manifiesta como un hueco interno debido a fuerzas de tensión grandes sobre el polímero que aún está fundido. Estos defectos se eliminan con el incremento de la presión de compactación posterior a la inyección. Una mejor solución consiste en diseñar la pieza para tener espesor uniforme de la sección y utilizar secciones más delgadas. • Líneas de soldadura: Las líneas de soldadura ocurren cuando el polímero fundido fluye alrededor de un núcleo o de otro detalle convexo en la cavidad del molde, y se encuentra desde direcciones opuestas; la frontera así formada se denomina línea de soldadura, y tiene propiedades mecánicas inferiores a las del resto de la pieza. Las formas de eliminar este defecto son temperaturas de fusión más altas, presiones de inyección mayores, ubicaciones alternas de la compuerta de la pieza y mejores conductos.

8.6.4  Otros procesos del moldeo por inyección La mayoría de las aplicaciones del moldeo por inyección involucran a los termoplásticos. En esta sección se describen algunas variaciones del proceso. Moldeo por inyección de espuma termoplástica  Las espumas de plástico tienen varias aplicaciones, y en la sección 8.11 se estudian dichos materiales y su procesamiento. Uno de los procesos, en ocasiones llamado moldeo de espuma estructural, es apropiado que se estudie aquí porque se trata de moldeo por inyección. Involucra el moldeo de piezas de termoplástico que poseen una capa exterior densa que rodea a un centro de espuma ligera. Dichas piezas tienen razones de rigidez a peso apropiadas para las aplicaciones estructurales. Una pieza de espuma estructural se produce ya sea con la introducción de gas en el plástico fundido en la unidad de inyección o con la mezcla de un ingrediente que produzca gas con las partículas (pellets) de inicio. Durante la inyección, una cantidad insuficiente de material fundido es introducida de manera forzada en la cavidad del molde, donde se expande (espuma) y lo llena. Las celdas de la espuma en contacto con la superficie fría del molde se colapsan y forman una capa densa, en tanto que el material en el núcleo retiene su estructura celular. Los artículos hechos con espuma estructural incluyen estuches para electrónica, carcasas de máquinas para negocios, componentes de muebles y tanques para lavadoras. Las ventajas citadas del moldeo de espuma estructural incluyen presiones de inyección y fuerzas de sujeción más bajas, con lo que se está en capacidad de producir componentes grandes, como lo sugiere la lista anterior. Una des-

168  CAPÍTULO 8  Procesos para dar forma a los plásticos

ventaja del proceso es que las superficies resultantes de la pieza tienden a ser rugosas, con huecos ocasionales. Si la aplicación necesitara un buen acabado de la superficie, entonces se requeriría procesamiento adicional, como lijado, aplicación de pintura y la adhesión de un revestimiento. Moldeo por inyección de termofijos  Éste se emplea para plásticos termofijos (TS, ThermoSets), con ciertas modificaciones del equipo y procedimiento de operación, a fin de permitir el enlazamiento cruzado. Estas máquinas son similares a las que se emplean para termoplásticos. Utilizan una unidad de inyección de tornillo reciprocante, pero la longitud del cilindro es más corta para evitar la cura y solidificación prematuras del polímero TS. Por la misma razón, las temperaturas en el cilindro se mantienen a niveles relativamente bajos, por lo general de 50 a 125 °C (120 a 260 °F), lo que depende del polímero. El plástico, por lo general en forma de pellets o gránulos, se alimenta por medio de una tolva. La plastificación ocurre por la acción del tornillo rotatorio conforme el material se mueve hacia delante en dirección de la boquilla. Cuando se ha acumulado suficiente material fundido por delante del tornillo, se inyecta a un molde que se calienta entre 150 y 230 °C (300 a 450 °F), donde ocurre el enlazamiento cruzado para endurecer el plástico. Entonces se abre el molde y la pieza se eyecta y retira. Es común que los tiempos del ciclo de moldeo varíen en el rango de 20 segundos a 2 minutos, lo que depende del tipo de polímero y tamaño de la pieza. La cura es la etapa del ciclo que más tiempo consume. Los termofijos principales para el moldeo por inyección son los fenoles, poliésteres insaturados, melaminas, epóxicos y formaldehídos de urea. Más de 50% de los moldeos de fenólicos que se producen en Estados Unidos se lleva a cabo con este proceso [11], lo que representa un abandono del moldeo por compresión y transferencia, procesos tradicionales que se utilizan para los termofijos (sección 8.7). La mayoría de los materiales termofijos (TS) del moldeo contienen grandes proporciones de rellenos (hasta 70% de su peso), inclusive fibras de vidrio, arcilla, fibras de madera y negro de humo. De hecho, éstos son materiales compósitos que se moldean por inyección. Moldeo por inyección de reacción  El moldeo por inyección de reacción (RIM, Reaction In-

jection Molding) involucra la mezcla de dos ingredientes líquidos muy reactivos, con la inyección inmediata de ésta en la cavidad de un molde, donde reacciones químicas hacen que ocurra la solidificación. Los uretanos, epóxicos y formaldehídos de urea son ejemplos de estos sistemas. El RIM se desarrolló con el poliuretano para producir grandes componentes automotrices como defensas, alerones y salpicaderas. Esta clase de piezas constituye la aplicación principal del proceso. Las piezas de poliuretano obtenidas con RIM suelen tener una estructura interna de espuma rodeada por una capa exterior densa. Como se aprecia en la figura 8.24, los ingredientes líquidos se bombean en cantidades medidas con precisión, desde tanques separados hacia una cabeza mezcladora. Los ingredientes se mezclan con rapidez y luego se inyectan a la cavidad del molde con una presión relativamente baja, donde ocurre la polimerización y cura. El tiempo normal de un ciclo es de alrededor de 2 minutos. Para cavidades relativamente grandes, los moldes para RIM son mucho menos costosos que los correspondientes al moldeo por inyección convencional. Esto se debe a las fuerzas pequeñas de sujeción que se requieren en el RIM y a la oportunidad de utilizar componentes ligeros en los moldes. Otras ventajas del RIM incluyen 1) se requiere poca energía para el proceso; 2) los costos del equipo y molde son menores que los del moldeo por inyección; 3) se dispone de una variedad de sistemas químicos que permiten obtener propiedades específicas del producto moldeado, y 4) el equipo de producción es confiable, los sistemas químicos y las relaciones de la máquina se comprenden bien [17].

8.7  Moldeo por compresión y transferencia En esta sección se estudian dos técnicas que se emplean mucho para polímeros termofijos y elastómeros. Para los termoplásticos, estas técnicas no alcanzan la eficiencia del moldeo por inyección, excepto para aplicaciones muy especiales.

8.7  Moldeo por compresión y transferencia   169

Tanques contenedores

Ingrediente A

Ingrediente B

Pistón de inyección FIGURA 8.24  Sistema de moldeo por inyección de reacción (RIM), mostrado inmediatamente después de que los ingredientes A y B se han bombeado hacia la cabeza mezcladora, antes de inyectarlos a la cavidad del molde (se han omitido algunos detalles del equipo de procesamiento). (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

Bomba

Cilindro de medición A

Cabeza mezcladora

B A+B Molde Cavidad

8.7.1  Moldeo por compresión Es un proceso antiguo y muy utilizado para plásticos termofijos. Sus aplicaciones también incluyen neumáticos de hule y varias piezas de material compósito con matriz de polimérica. El proceso, que se ilustra en la figura 8.25 para un plástico TS, consiste en 1) cargar la cantidad precisa del compuesto de moldeo, llamada carga, en la mitad inferior de un molde calentado; 2) juntar las mitades del molde para comprimir la carga, forzarla a que fluya y adopte la forma de la cavidad; 3) calentar la carga por medio del molde caliente para polimerizar y curar el material en una pieza solidificada, y 4) abrir las mitades del molde y retirar la pieza de la cavidad. La carga inicial del compuesto para el moldeo puede estar en varias formas, inclusive polvo o pellets, líquida o preformada (parcialmente conformada). La cantidad de polímero debe controlarse con precisión para obtener consistencia repetible en el producto moldeado. Se ha vuelto práctica común precalentar la carga antes de colocarla en el molde; esto suaviza al polímero y acorta la duración del ciclo de producción. Los métodos de precalentamiento incluyen calentadores infrarrojos, convección en un horno y uso de tornillo rotatorio caliente en un cilindro. La última técnica (tomada del moldeo por inyección) también se usa para medir la cantidad de la carga. Las prensas para moldeo por compresión se orientan en forma vertical y contienen dos placas a las que se sujetan las mitades del molde. Las prensas involucran dos tipos de accionamiento: 1) ascenso de la placa inferior o 2) descenso de la placa superior, la primera es la configuración más común de la máquina. Por lo general, son movidas por un cilindro hidráulico diseñado para proporcionar capacidades de sujeción de varios cientos de toneladas. Los moldes para moldeo por compresión generalmente son más sencillos que sus contrapartes para inyección. En un molde para compresión no hay bebedero ni sistema de alimentación y el proceso en sí, por lo general, está limitado a formas sencillas de la pieza, debido a las capacidades menores de flujo de los materiales termofijos con los que se inicia. Sin embargo, deben tomarse medidas para calentar el molde, que, por lo general, se lleva a cabo con resistencia eléctrica, vapor o circulación de aceite caliente. Los moldes para compresión se clasifican en moldes manuales, que se emplean para hacer corridas de prueba; semiautomáticos, en los que la prensa sigue un ciclo programado pero es el operador quien la carga y descarga en forma manual; y automáticos, que operan con un ciclo de prensa totalmente automático (incluyendo para la carga y descarga). Los materiales para moldeo por compresión incluyen fenoles, melamina, formaldehído de urea, epóxicos, uretanos y elastómeros. Las molduras comunes incluyen clavijas y tomacorrientes eléctricos, manijas de trastos y vajillas. Las ventajas más notables del moldeo por compresión

170  CAPÍTULO 8  Procesos para dar forma a los plásticos

v Mitad superior del molde

Punzón

v, F Parte moldeada

Carga Cavidad

Mitad inferior del molde Perno golpeador v

2) y 3)

1)

4) FIGURA 8.25  Moldeo por compresión de plásticos termofijos: 1) se introduce la carga; 2) y 3) la carga se comprime y cura, y 4) la pieza se eyecta y retira (se han omitido algunos detalles). (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

en dichas aplicaciones incluyen 1) moldes que son más sencillos y menos costosos, 2) menor desperdicio y 3) esfuerzos residuales bajos en las piezas moldeadas. Una desventaja frecuente son las duraciones mayores del ciclo y, por tanto, tasas de producción menores que las del moldeo por inyección.

8.7.2  Moldeo por transferencia En este proceso se introduce una carga termofija a una cámara inmediatamente delante de la cavidad del molde, donde se calienta; después se aplica presión para forzar al polímero suavizado a fluir hacia el molde caliente en el que procede el curado. Hay dos variantes del proceso, que se ilustra en la figura 8.26: a) moldeo por transferencia a través de recipiente, en el que la carga se inyecta desde un “recipiente” a través de un canal vertical (bebedero) en la cavidad, y b) moldeo por transferencia de pistón, en el que la carga se inyecta por medio de un pistón desde un depósito caliente a través de canales laterales hacia la cavidad del molde. En ambos casos, en cada ciclo se generan desperdicios en forma de material sobrante en la base del depósito y los canales laterales, llamado desecho (cull, en inglés). Además, en la transferencia a través de recipiente el bebedero es el material que se desperdicia. Debido a que los polímeros son termofijos, los desechos no pueden recuperarse. El moldeo por transferencia se relaciona estrechamente con el de compresión, porque se utiliza con los mismos tipos de polímero (termofijos y elastómeros). También se observan similitudes con el moldeo por inyección, en la forma en que la carga se precalienta en una cámara separada y después se inyecta en el molde. El moldeo por transferencia es capaz de moldear formas de pieza que son más intrincadas que en el moldeo por compresión, pero no tan complejas como con el moldeo por inyección. El moldeo por transferencia también llega a moldear con inserciones, para lo que se coloca un inserto de metal o cerámica dentro de la cavidad, antes de la inyección, y el plástico calentado se adhiere a aquél durante el moldeo.

8.8  Moldeo por soplado y moldeo rotacional Estos dos procesos se emplean para fabricar piezas huecas y sin costura de polímeros termoplásticos. El moldeo rotacional también se utiliza para termofijos. El tamaño de las piezas varía desde

8.8  Moldeo por soplado y moldeo rotacional   171

v v Ariete de transferencia Ariete de transferencia Recipiente Recipiente de transferencia de transferencia

Carga (preformada) Carga (preformada)

v v

Cavidades Cavidades

1) 1)

Perno eyector Perno eyector

Desecho Desecho Bebedero Bebedero

v, F v, F

Pieza moldeada Pieza moldeada 3) 3)

2) 2)

v v

a) a) v v

Pistón Pistón

v, F v, F

Carga (preformada) Carga (preformada)

1) 1)

Cavidades Cavidades Pernos eyectores Pernos eyectores

v v Desecho Desecho Pieza moldeada Pieza moldeada

2) 2)

3) 3)

v v

v v

b) b) FIGURA 8.26  a) Moldeo por transferencia a través de recipiente y b) moldeo por transferencia de pistón. El ciclo en ambos procesos es el siguiente: 1) se introduce la carga al recipiente, 2) el polímero suavizado se prensa y cura en la cavidad del molde y 3) se expulsa la pieza. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

botellas de plástico pequeñas de sólo 5 mL (0.15 oz) a tambos de almacenamiento grandes, de 38 000 litros (10 000 gal) de capacidad. Aunque en ciertos casos los dos procesos compiten, por lo general tienen sus nichos propios. El moldeo por soplado es más apropiado para la producción en masa de contenedores desechables pequeños, en tanto que el rotacional es propio para formas más grandes y huecas.

8.8.1  Moldeo por soplado El moldeo por soplado es un proceso en el que se utiliza presión del aire para inflar plástico suave dentro de la cavidad de un molde. Es un proceso industrial importante para fabricar piezas de plástico huecas, de una sola pieza y con paredes delgadas, como botellas y contenedores similares. Debido a que muchos de esos artículos se utilizan para bebidas para el consumidor destinadas a mercados masivos, su producción está organizada para cantidades muy grandes. La tecno-

capacity. Although the two processes in certain cases, generally they have found containers, whereas rotational moldingcompete is favored for large, hollow shapes. their own niches. Blow molding is more suited to the mass production of small disposable containers, whereas rotational molding is favored for large, hollow shapes. C08

8.8.1 08/02/2011

BLOW 10:13:23 MOLDING Page 178

Blow molding is a molding process in which air pressure is used to inflate soft plastic inside a mold cavity. It is an important industrial process for making one-piece hollow Blow parts molding a molding process in which air pressure is used to inflate soft plastic plastic withisthin walls, such as bottles and similar containers. Because many of these inside a mold cavity. It is an important industrial process for making one-piece hollow items are used consumer beverages for7.2), mass is typically logía proviene de lafor industria del vidrio (sección con markets, la que losproduction plásticos compiten en el plasticdeparts with walls, suchy as bottles and similar containers. Because many of these organized forbotellas very thin high quantities. The technology is borrowed from the glass industry mercado las desechables reciclables. items are used for consumer for mass markets, production typically 178 Chapter 8/Shaping Processes for Plastics (Section 7.2) with which plastics the disposable and recyclable bottle market. El moldeo por soplado se lleva compete a beverages cabo en in dos etapas: 1) fabricación de un tubo deis inicio de organized for very high quantities. The technology is borrowed from the glass industry molding is parison accomplished in two(mismo steps: término (1) fabrication a starting tube of plásticoBlow fundido, llamado o preformado que en elof soplado del vidrio), y (Section 7.2) with which plastics compete inasthe andEl recyclable bottle market. plastic, called a parison (same in disposable glass blowing); and (2) inflation of the 2)molten el inflado del tubo hasta que adquiere laterm forma final que se desea. formado del parison se Blow molding iso shape. accomplished inthe twoparison steps: is(1) fabrication by of aeither starting tube of tubea to thepor desired final accomplished extrusion lleva cabo extrusión moldeoForming por inyección. molten plastic, called a parison (same term as in glass blowing); and (2) inflation of the or injection molding. Moldeo porthe soplado extrusión  formathe de parison moldear is consiste en el ciclo se ilustra en tube to desiredy final shape. Esta Forming accomplished byque either extrusion la figura 8.27. En la mayoría de los casos el proceso se organiza como operación de producción or injection molding. Extrusion Blow Molding This form of blow molding consists of the cycle illustrated in elevada para fabricar botellas de plástico. La secuencia es automática y, con frecuencia, se integra Figure 8.27. In most cases, the process is organized as a very high production operation conExtrusion operaciones posteriores comoThis el llenado y etiquetado de las botellas. Blow Molding form of molding consists the cycle with illustrated for making plastic bottles. The sequence isblow automated and oftenof integrated down-in Por lo general se requiere que el contenedor soplado sea rígido, y la rigidez depende del esFigureoperations 8.27. In most the process is organized stream suchcases, as bottle filling and labeling. as a very high production operation pesor la pared, entre bottles. otros factores. El espesorisde la pared deland contenedor soplado se relaciona forde making plastic The that sequence automated downIt is usually a requirement the blown container be often rigid, integrated and rigiditywith depends constream el parison de extruido inicial [12], lo que supone una forma cilíndrica del producto final. El operationsamong such asother bottlefactors. filling and on wall thickness We labeling. can relate wall thickness of the blown efecto de It la expansión adel dado sobre el parison se presenta en la figura 8.28. El rigidity diámetrodepends medio requirement the blown rigid, and container istousually the starting extrudedthat parison [12], container assuming be a cylindrical shape for the delon tubowall conforme sale del dado se determina con la media del diámetro del dado D . La expand thickness among other factors. can is relate wall thickness ofThe the mean blown final product. The effect of die swell on theWe parison shown in Figure 8.28. sióncontainer del dado ocasiona la expansión hasta un diámetro del parison D . Al mismo tiempo, starting extruded [12],medio assuming a cylindrical shape the . Die diameter of to thethe tube as it exits the dieparison is determined by the mean diep diameter Ddfor el espesor de la pared expande de tdswell a tp. La razón de expansión del diámetro del parison del finalcauses product. Theseeffect die on diameter the parison shown in Figure The ymean the same time, 8.28. wall thickness swell expansion to aof mean parison Dp.isAt grosor de pared está tube dada porit exits the die is determined by the mean die diameter D . Die diameter to tp. Theas swell ratio of the parison diameter and wall thickness is givend by swells fromof td the swell causes expansion to a mean parison diameter Dp. At the same time, wall thickness Dp tp thickness is given by ¼ parison ¼ diameter and wall (8.20) swells from td to tp. The swell ratio ofrsthe (8.20) Dd td Dp tp rs ¼mold¼diameter D , there is a corresponding (8.20) When the parison is inflated to the blow m Dd td Cuando el parison se infla hasta el diámetro del molde de soplado D , con la reducción corresm cross section, we have constant volume of reduction in wall thicknessofto tm. Assuming FIGURE 8.27 Extrusion blow molding: (1) extrusion parison; (2) parison is pinched at the top and sealed at the pondiente del espesor a tmto , y the si seblow supone un volumen constante de laissección transvera corresponding When the parisondeispared inflated mold diameter Dm, there bottom around a metal blow pin as the two halves of the mold come together; (3) the tube is inflated so that it takes sal,reduction se tiene in wall thickness to tm. Assuming constant volume of cross section, we have pDpsolidified tp ¼ pD tm (Credit: (8.21) m the shape of the mold cavity; and (4) mold is opened to remove the part. Fundamentals of Modern

8.8.1 BLOW 172  CAPÍTULO 8  MOLDING Procesos para dar forma a los plásticos

Manufacturing, 4th Edition by Mikell P. Groover, 2010. Reprinted with permission of John Wiley & Sons, Inc.)



pDp tp ¼ pDm tm

(8.21) (8.21)

Al resolver tm se obtiene Solving for tm, we obtain

tm ¼

Dp tp Dm



Cilindro extrusor Eq. (8.20) into this equation, we get Substituting

Dado de tubo v

Parison

r2s td Dd MoldeD(cerrado) m

tm ¼ v

Pieza moldeada v

(8.22) v

The amount of die swell in the initial extrusion process can be measured by direct observation; and the dimensions of the die are known. Thus, we can determine the wall thickness on the blow-molded container.

Molde (abierto)

FIGURE 8.28 (1) Dimensions of Espiga de extrusion die, showing v soplado Entrada de aire parison after die swell; v and (2) final blow-molded 3) 2) 1) 4) container in extrusion blow molding. (Credit: FIGURA 8.27  ofMoldeo soplado por extrusión: 1) extrusión de parison; 2) se oprime la parte superior del parison y se sella en la inferior Fundamentals alrededorManufacturing, de una espiga metálica de soplado, conforme las dos mitades del molde se juntan; 3) el tubo se infla de modo que adopta la Modern forma de la cavidad del molde, y 4) el molde se abre para retirar la pieza solidificada. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, th 4 Edition by Mikell P. 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.) Groover, 2010. Reprinted with permission of John Wiley & Sons, Inc.)

8.8  Moldeo por soplado y moldeo rotacional   173

Dd FIGURA 8.28  1) Dimensiones del dado de td extrusión. El parison después de la dilatación del Dado de de FIGURE 8.27 Extrusion blow molding: (1) extrusion of parison; (2) parison is pinched at the top and sealedMolde at the dado y 2) contenedor molextrusión bottom aroundenaelmetal blow pin as the two halves of the mold come together; (3) the tube is inflated so thatsoplado it takes deado por soplado, moldeo sopladoofpor extruthe shape the mold cavity; v and (4) mold is opened to remove the solidified part. (Credit: Fundamentals of Modern sión. (Crédito: Fundamentp Manufacturing, 4th Edition by Mikell P. Groover, 2010. Reprinted with permission of John Wiley & Sons, Inc.) tals of Modern Manufactutm ring, 4a. ed., de Mikell P. Dm Groover, 2010. Reimpreso Ddfor t , we obtain Solving m con autorización de John Dp tp Wiley & Sons, Inc.) 1) 2)

tm ¼

Dm

SeSubstituting sustituye la ecuación (8.20) estaequation, ecuación we y queda Eq. (8.20) intoen this get

tm ¼

r2s td Dd Dm

(8.22) (8.22)

The amount of die swell in the extrusion can se bemide measured by direct La cantidad de dilatación del dado en initial el proceso inicial process de extrusión por observación observation; and the dimensions of the die are known. Thus, we can determine the wall directa y se conocen las dimensiones del dado. Así, es posible determinar el espesor de pared del thickness on the blow-molded container. contenedor moldeado por soplado. Moldeo soplado por inyección  En este proceso, el parison de inicio se moldea por inyección

en vez de extrusión. En la figura 8.29 se presenta una secuencia simplificada. En comparación con su proceso competidor basado en la extrusión, el de soplado por inyección suele tener las FIGURE 8.28 siguientes ventajas: 1) tasa de producción más alta, 2) mayor precisión en las dimensiones fina(1) Dimensions of les, 3) menores tasas de desechos y 4) menor desperdicio de materiales. Además, con el moldeo extrusion die, showing soplado por extrusión se pueden producir contenedores más grandes, debido a que en el moldeo por parison after die swell; inyección los moldes son muy caros para parisones grandes. Asimismo, el moldeo soplado and (2) final blow-molded por extrusión es una técnica más factible y económica para las botellas de doble capa que sirven container in extrusion para almacenar ciertos medicamentos, productos del cuidado personal y diversos compuestos blow molding. (Credit: químicos.2 Fundamentals of En una variante del moldeo con soplado por inyección, llamada moldeo de estiramiento y Modern Manufacturing, th soplado (figura 8.30), la barra de soplado se extiende hacia abajo dentro del parison moldeado 4 Edition by Mikell P. Groover, 2010. Reprinted por inyección durante la etapa 2, lo que estira el plástico suave y crea un esfuerzo más favorable del polímero que el moldeo por inyección convencional o soplado por extrusión. La estructura with permission of John resultante es más rígida, con más transparencia y mayor resistencia al impacto. Wiley & Sons, Inc.) Materiales y productos  El moldeo por soplado se limita a los termoplásticos. El polietileno es el polímero de uso más común, en particular, el de alta densidad y peso molecular elevado (HDPE, High Density PolyEthilene y HMWPE, High Molecular Weight Pol y Ethilene). Si se comparan sus propiedades con las del PE de baja densidad dados los requerimientos de rigidez del producto final, es más económico usar estos materiales más caros debido a que las paredes del contenedor pueden fabricarse más delgados. Otras partes moldeadas por soplado están hechas de polipropileno y cloruro de polivinilo. El material más usado para el moldeo soplado por estiramiento es el tereftalato de polietileno (PET), un poliéster que tiene permeabilidad muy baja y se fortalece mediante el proceso de moldeo de estiramiento y soplado. La combinación de propiedades lo hace ideal como contenedor de bebidas carbonatadas (por ejemplo, las botellas de 2 L para sodas).

2 El autor está en deuda con Tom Walko, antiguo alumno y, al momento de escribir este texto, gerente de planta en una de las plantas de moldeo soplado de Graham Packaging Company, por proporcionar las comparaciones entre el moldeo soplado por extrusión y por inyección.

174  CAPÍTULO 8  Procesos para dar forma a los plásticos

Moldeo por inyección antes del soplado

Entrada de aire v

Tubo de soplado

Unidad de inyección

Pieza moldeada con soplado v

v

Válvula de aire de una dirección

v, F Molde de inyección

Molde de soplado 2)

1)

4)

3)

FIGURA 8.29  Moldeo soplado por inyección: 1) se inyecta el parison moldeado alrededor de un tubo de soplado; 2) se abre el molde de inyección y el parison se transfiere a un molde de soplado; 3) se infla el polímero suave para que tome la forma del molde de soplado, y 4) se abre el molde de soplado, y se retira el producto. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

Los contenedores desechables para empacar bienes de consumo líquidos constituyen la mayor parte de productos que se fabrican con moldeo por soplado; pero no son los únicos. Otros incluyen tambos grandes (55 gal) para embarcar líquidos y polvos, grandes tanques de almacenamiento (2 000 gal), tanques para gasolina de automóviles, juguetes y cascos para veleros y botes pequeños. En el último caso se fabrican dos cascos en un moldeo único por soplado y se cortan posteriormente para formar dos cascos abiertos.

8.8.2  Moldeo rotacional El moldeo rotacional utiliza la gravedad en lugar de un molde rotatorio (giratorio), a fin de lograr una forma hueca. El también llamado rotomoldeo es una alternativa al moldeo por soplado a fin de fabricar formas grandes y huecas. Se emplea principalmente para polímeros termoplásticos, pero cada vez son más comunes las aplicaciones para termofijos y elastómeros. El rotomoldeo

Entrada de aire v Tubo de soplado

Unidad de inyección v, F

Pieza moldeada por soplado

Molde de inyección

v

1)

Válvula de aire de una dirección 2)

3)

FIGURA 8.30  Moldeo de estiramiento y soplado: 1) moldeo con inyección del parison, 2) estiramiento y 3) soplado. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

8.8  Moldeo por soplado y moldeo rotacional   175

1) Estación de carga y descarga

Molde (abierto)

FIGURA 8.31  Ciclo de moldeo rotacional ejecutado sobre una máquina secuenciadora de tres estaciones: 1) estación de carga y descarga; 2) el molde se calienta y gira; 3) enfriamiento del molde. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

Pieza moldeada Rotación del molde en dos direcciones

Contrapeso Unidad secuenciadora

2) Estación de calentamiento

3) Estación de enfriamiento

Molde (cerrado)

Aspersión de agua

tiende a ser más adecuado para configuraciones geométricas externas más complejas, piezas más grandes y cantidades de producción pequeñas, más que el moldeo por soplado. El proceso consiste en las siguientes etapas: 1) se carga una cantidad predeterminada de polvo de polímero en la cavidad de un molde deslizante o separable. 2) Después se calienta el molde y se gira en forma simultánea sobre dos ejes perpendiculares, de modo que el polvo impregna todas las superficies interiores del molde y forma gradualmente una capa fundida de espesor uniforme. 3) Mientras aún gira, el molde se enfría de modo que la capa exterior de plástico se solidifica. 4) Se abre el molde y se descarga la pieza. Las velocidades rotacionales que se emplean en el proceso son relativamente bajas. Es la gravedad, no la fuerza centrífuga la que genera el recubrimiento uniforme de las superficies del molde. En el moldeo rotacional, los moldes son simples y baratos, en comparación con el moldeo por inyección o por soplado, pero el ciclo de producción es mucho más largo, y dura 10 minutos o más. Para equilibrar estas ventajas y desventajas en la producción, es frecuente que el moldeo rotacional se lleve a cabo en una máquina secuenciadora de cavidades múltiples, como la de tres estaciones que se ilustra en la figura 8.31. La máquina está diseñada para secuenciar tres moldes a través de las tres estaciones de trabajo. Así, se trabaja con los tres moldes en forma simultánea. La primera estación de trabajo es de carga y descarga, en la que la pieza terminada se retira del molde; y se carga el polvo en la cavidad, para la pieza siguiente. La segunda estación consiste en una cámara de calentamiento en la que aire a temperatura alta calienta el molde por convección al mismo tiempo que éste gira. Las temperaturas dentro de la cámara son de alrededor de 375 °C (700 °F), lo que depende del polímero y el artículo que se moldea. La tercera estación enfría el molde, con el uso de aire frío forzado o aspersión de agua, para enfriar y solidificar el plástico interior del molde. Con moldeo rotacional se elabora una variedad fascinante de artículos. La lista incluye juguetes huecos como caballitos y pelotas; cascos de lanchas y canoas, cajas de arena, albercas pequeñas; boyas y otros dispositivos de flotación; elementos de cajas de tráiler, tableros automotrices, tanques de combustible; piezas de equipaje, mobiliario, botes para basura; maniquíes; barriles industriales de gran tamaño, contenedores y tanques de almacenamiento; excusados portátiles, y tanques sépticos. El material más utilizado para moldear es el polietileno, en especial el HDPE. Otros plásticos incluyen el polipropileno, acrilonitrilo-butadieno-estireno y poliestireno de alto impacto.

176  CAPÍTULO 8  Procesos para dar forma a los plásticos

8.9 Termoformado El termoformado es un proceso en el que se calienta y deforma una lámina plana termoplástica para hacer que adquiera la forma deseada. El proceso se utiliza mucho para empacar productos de consumo y para fabricar artículos grandes como tinas de baño, tragaluces y forros interiores de puertas para refrigeradores. El termoformado consiste en dos etapas principales: calentamiento y formado. Por lo general, el calentamiento se realiza con el empleo de elementos calefactores eléctricos radiantes, localizados a ambos lados de la lámina de plástico inicial, a una distancia aproximada de 125 mm (5 pulg). La duración del ciclo de calentamiento necesario para suavizar lo suficiente la lámina, depende del espesor y color del polímero. Los métodos por los que se lleva a cabo la etapa de formado se clasifican en tres categorías básicas: 1) termoformado al vacío, 2) termoformado de presión y 3) termoformado mecánico. En el estudio de dichos métodos se describió el formado de materiales en forma de lámina, pero en la industria del empaque, la mayor parte de operaciones de termoformado se ejecutan sobre películas delgadas. Termoformado al vacío  Éste fue el primer proceso de termoformado (llamado tan sólo formado al vacío, cuando se creó en la década de 1950). Se utiliza una presión negativa para adherir la lámina precalentada contra la cavidad de un molde. El proceso se explica en la figura 8.32, en su forma más básica. Los orificios para inducir el vacío en el molde son del orden de 0.8 mm (0.031 pulg) de diámetro, por lo que su efecto sobre la superficie del plástico es menor. Termoformado de presión  Una alternativa para formar al vacío involucra a una presión positiva que fuerza al plástico calentado hacia la cavidad del molde. Ésta se llama termoformado de presión, o formado por soplado; su ventaja sobre el formado al vacío es que es posible generar presiones más grandes, ya que esta última se limita a un máximo teórico de 1 atm. En el formado por soplado son comunes las presiones de 3 a 4 atm. La secuencia del proceso es similar a la anterior, la diferencia estriba en que la lámina se presuriza desde arriba de la cavidad del molde. En el molde hay orificios de conducción para expulsar el aire atrapado. En la figura 8.33 se ilustra la porción formadora de la secuencia (etapas 2 y 3). En este punto es útil distinguir entre los moldes positivo y negativo. Los moldes que se muestran en las figuras 8.32 y 8.33 son moldes negativos debido a que tienen cavidades cóncavas. Un molde positivo tiene forma convexa. En el termoformado se utilizan ambos tipos. En el caso del molde positivo, la lámina calentada se oprime sobre la forma convexa y se utiliza presión negativa o positiva para forzar al plástico contra la superficie del molde. En la figura 8.34 se muestra un molde positivo para el formado al vacío. Podría parecer que la diferencia entre los moldes positivo y negativo carece de importancia, porque las formas de la pieza son iguales en los diagramas. Sin embargo, si la pieza se presiona (embute) contra un molde negativo, entonces su superficie exterior tendrá el mismo aspecto que la de la cavidad del molde. La superficie interior será una aproximación del contorno y poseerá un acabado correspondiente al de la lámina de inicio. Por el contrario, si la lámina se presiona sobre un molde positivo, entonces su superficie interior será igual a la del molde convexo; y su superficie exterior seguirá aproximadamente igual. En función de los requerimientos del producto, esta diferencia puede ser importante. Otra diferencia está en el adelgazamiento de la lámina de plástico, que es uno de los problemas del termoformado. A menos que el contorno del molde sea muy somero, habrá un adelgazamiento significativo de la lámina según se estire para conformarse al contorno del molde. Los moldes positivo y negativo producen patrones de adelgazamiento diferentes en una pieza dada. Considere el lector la pieza en forma de tina que se muestra en nuestras figuras. En el molde positivo, conforme la lámina se presiona sobre la forma convexa, la porción en contacto con la superficie superior (que corresponde a la base de la tina) se solidifica con rapidez y no experimenta virtualmente ningún estiramiento. Esto da como resultado una base gruesa pero un adelgazamiento significativo de las paredes de la tina. Por el contrario, un molde negativo genera una distribución más pareja del estiramiento y adelgazamiento de la lámina antes de que haga contacto con la superficie fría.

8.9 Termoformado  177

Calentador radiante Abrazaderas (cerradas) v

v Lámina de plástico

Cavidad del molde

Orificios de vacío

Molde

1)

2)

Abrazaderas (abiertas) v

v v Resto del material Pieza moldeada v

v

Vacío inducido

4)

3)

FIGURA 8.32  Termoformado al vacío: 1) una lámina de plástico se suaviza con calentamiento; 2) la lámina suavizada se coloca sobre una cavidad de molde cóncava; 3) un vacío adhiere la lámina hacia la cavidad, y 4) el plástico se endurece al contacto con la superficie fría del molde, y luego la pieza se retira y recorta del resto del material. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

Entrada de aire Caja de presión

Presión positiva

Lámina de plástico calentada

v

v

Abrazaderas

Molde

2)

Vacío inducido 3)

FIGURA 8.33  Termoformado a presión. La secuencia es similar a la de la figura anterior, la diferencia está en que: 2) la lámina se coloca sobre la cavidad de un molde, y 3) una presión positiva fuerza la lámina hacia la cavidad. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

178  CAPÍTULO 8  Procesos para dar forma a los plásticos

Lámina de plástico calentada

Molde positivo

v

v

Vacío inducido 1)

2)

FIGURA 8.34  Uso de un molde positivo en el termoformado al vacío: 1) la lámina de plástico calentada se coloca sobre el molde convexo, y 2) la abrazadera baja hacia esa posición, y presiona la lámina sobre el molde conforme el vacío la fuerza contra la superficie de éste. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

Termoformado mecánico  El tercer método, llamado termoformado mecánico, utiliza moldes positivos y negativos que se juntan contra la lámina de plástico calentada, lo que la fuerza a adoptar la forma de ellos. En el método de formado mecánico puro no se utiliza en absoluto la presión del aire. En la figura 8.35 se ilustra el proceso. Sus ventajas son que se tiene un control dimensional mejor y la oportunidad de detallar la superficie de la pieza por ambas caras. Su desventaja es que se requieren dos mitades de molde; por tanto, los moldes son más costosos. Aplicaciones  El termoformado es un proceso de conformación secundario, el proceso primario

es el que produce la lámina o película (sección 8.3). Sólo los termoplásticos pueden termoformarse, ya que las láminas extruidas de polímeros termofijos o de elastómeros ya tienen enlazamiento cruzado y no es posible suavizarlas volviéndolas a calentar. Los plásticos comunes para el termoformado son el poliestireno, acetato de celulosa y butirato acetato de celulosa, ABS, PVC, polietileno y polipropileno. En la industria del empaque se llevan a cabo operaciones de termoformado para producción en masa. La lámina o película inicial se alimenta con rapidez a través de la cámara de calentamiento y luego se le da mecánicamente la forma que se desea. Es frecuente que las operaciones se diseñen para producir piezas múltiples a cada paso de la prensa con el empleo de moldes con

v Molde positivo

Lámina de plástico calentada Molde negativo

Escape de aire 1) 2) FIGURA 8.35  Termoformado mecánico: 1) lámina calentada sobre un molde negativo y 2) molde cerrado para dar forma a la lámina. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

8.11  Procesamiento y formado de espuma de polímero   179

muchas cavidades. En ciertos casos, la máquina de extrusión que produce la lámina o película se localiza inmediatamente antes del proceso de termoformado, con lo que se elimina la necesidad de recalentar el plástico. Para tener una eficiencia mayor, el proceso de llenado que coloca el artículo dentro del contenedor, se sitúa de inmediato después del termoformado. Los artículos de película delgada para empaque que se producen en masa con termoformado incluyen paquetes para resguardar pastillas y envolturas. Ofrecen una manera atractiva de presentar ciertos productos de consumo como cosméticos, artículos para baño, herramientas pequeñas y sujetadores (grapas, tornillos, etc.). Las aplicaciones del termoformado incluyen piezas grandes que pueden producirse a partir de láminas más gruesas. Algunos ejemplos incluyen cubiertas para máquinas de oficina, cascos de lancha, regaderas, difusores de luz, anuncios de publicidad y señalamientos, tinas para baño, recubrimientos internos para puertas de refrigerador y ciertos juguetes.

8.10 Fundición En la conformación (el dar la geometría) de polímeros, la fundición o colado involucra vaciar una resina líquida a un molde, con el uso de la gravedad para llenar la cavidad, y dejar que el polímero se endurezca. Tanto los termoplásticos como los termofijos se funden. Algunos ejemplos de los primeros incluyen los acrílicos, poliestireno, poliamidas (nylon) y vinilos (PVC). Los polímeros termofijos para la fundición incluyen el poliuretano, poliésteres insaturados, fenoles y epóxicos. El proceso involucra vaciar los ingredientes del líquido que forman el termofijo en un molde para que ocurra la polimerización y el enlazamiento cruzado. Quizá se requiera calor y/o un catalizador en función del sistema de resina. Las reacciones deben ser lo suficientemente lentas para permitir el vaciado del molde por completo. Los sistemas termofijos de reacción rápida, como los de ciertos poliuretanos, requieren procesos alternativos para dar la forma como el moldeo por inyección de reacción (sección 8.6.4). Las ventajas de la fundición o colado sobre procesos alternativos como el moldeo por inyección incluyen las siguientes: 1) el molde es más sencillo y menos costoso, 2) el artículo fundido está relativamente libre de esfuerzos residuales y memoria viscoelástica y 3) el proceso es apropiado para cantidades pequeñas de producción. Al centrarnos en la segunda ventaja, las láminas de acrílico (plexiglás, Lucita), por lo general, se funden entre dos placas de vidrio muy pulidas. El proceso de fundición permite un grado alto de planicidad y que se logren las cualidades ópticas que son deseables en las láminas de plástico transparente. Dichas planicidad y transparencia no pueden obtenerse con la extrusión de láminas planas. Una desventaja de ciertas aplicaciones es la contracción significativa de la pieza fundida durante la solidificación. Por ejemplo, las láminas de acrílico pasan por una contracción volumétrica de alrededor de 20% cuando se funden. Esto es mucho más que en el moldeo por inyección, en el que se emplean presiones elevadas para comprimir la cavidad del molde a fin de reducir la contracción. Una aplicación de la fundición o colado que tiene importancia en la electrónica es el encapsulamiento, en el que artículos como transformadores, bobinas, conectores y otros componentes eléctricos se encierran en plástico por medio de la fundición.

8.11  Procesamiento y formado de espuma de polímero Una espuma de polímero es una mezcla de polímero y gas, lo que da al material una estructura porosa o celular. Las espumas de polímero más comunes son el poliestireno (Styrofoam, marca registrada) y poliuretano. Otros polímeros que se utilizan para fabricar espumas incluyen hules naturales (“hule espumado”) y cloruro de polivinilo (PVC). Las propiedades características de un polímero espumado incluyen: 1) baja densidad, 2) alta resistencia por unidad de peso, 3) buen aislamiento térmico y 4) buenas cualidades de absorción de energía. La elasticidad del polímero base determina la propiedad correspondiente de la espuma. Las espumas de polímero se clasifican [6] como 1) elastoméricas, en las que la matriz de

180  CAPÍTULO 8  Procesos para dar forma a los plásticos

polímero es un hule, capaz de absorber una gran deformación elástica; 2) flexibles, en el que la matriz es un polímero muy plástico tal como el PVC suave, y 3) rígidas, en el que el polímero es un termoplástico rígido tal como el poliestireno o un plástico termofijo como un fenólico. En función de la formulación química y grado de entrecruzamiento, el poliuretano varía entre las tres categorías. Las propiedades de las espumas de polímero, así como la capacidad para controlar su comportamiento elástico a través de la selección del polímero base, hacen a estos materiales muy apropiados para ciertos tipos de aplicaciones, inclusive recipientes para bebidas calientes, materiales estructurales para aislamiento de calor y núcleos de paneles estructurales, materiales de empaque, materiales acojinados para muebles y almohadas, acojinamiento de tableros de automóvil y productos que requieren flotación. Los gases comunes que se usan en las espumas de polímero son aire, nitrógeno y dióxido de carbono. La proporción del gas varía hasta 90% o más. Éste se introduce en el polímero con varios métodos, llamados procesos de espumado. Éstos incluyen: 1) el mezclado de una resina líquida con aire por agitación mecánica, y después el endurecimiento del polímero por medio de calor o reacción química; 2) el mezclado de un agente de soplado físico con el polímero, un gas como el nitrógeno (N2) o el pentano (C5H12), que se disuelve en el polímero fundido sujeto a presión, de modo que el gas sale de la solución y se expande cuando después se reduce la presión, y 3) la mezcla del polímero con componentes químicos, llamados agentes de soplado químicos que se descomponen a temperaturas altas y liberan gases como el CO2 o el N2 dentro de la mezcla. Hay muchos procesos para dar forma a los productos de espuma de polímero. Debido a que las dos espumas más importantes son el poliestireno y el poliuretano, el presente análisis se limita a los procesos para dar la forma a estos materiales. Debido a que el poliestireno es un termoplástico y el poliuretano puede ser un termofijo o bien un elastómero, los procesos que se estudian aquí para dichos materiales son representativos de los que se emplean en otras espumas de polímero. Las espumas de poliestireno reciben su forma por extrusión y moldeo. En la extrusión se alimenta un agente de soplado químico o físico dentro del polímero fundido, cerca del extremo del dado del cilindro extrusor; así, el extruido consiste en el polímero expandido. De esta manera se fabrican láminas y tableros grandes, que después se cortan al tamaño para hacer paneles y secciones aislantes del calor. Para la espuma de poliestireno existen varios procesos de moldeo. Ya se analizó el moldeo de espuma estructural (sección 8.6.4). Un proceso que se emplea más es el moldeo de espuma expansible, en el que el material que se moldea por lo general consiste en bolas o formas redondeadas de poliestireno preespumadas. Éstas se producen a partir de pellets de poliestireno sólido que han sido impregnadas de un agente de soplado físico. El preespumado se lleva a cabo en un tanque grande por medio de la aplicación de vapor caliente para expandir parcialmente las partículas o pellets, en forma simultánea se agitan para impedir su fusión. Después, en el proceso de moldeo, las bolas o formas redondeadas preespumadas se introducen a la cavidad del molde, donde se expanden aún más y se funden entre sí para formar el producto moldeado. De este modo se producen tazas o recipientes para bebidas calientes, hechas de espuma de poliestireno. En ciertos procesos, se omite la etapa de preespumado, y las formas redondeadas impregnadas se introducen directamente a la cavidad del molde, donde se calientan, expanden y funden. En otras operaciones, la espuma expansible primero es formada como una lámina plana con el proceso de extrusión de película soplada (sección 8.3) y luego se le da forma con termoformado (sección 8.9) en contenedores para empaque, como cajas para huevos. Los productos de espuma de poliuretano están hechos en un proceso de una etapa en el que dos ingredientes líquidos (poliol e isocianato) se mezclan e introducen de inmediato a un molde u otra forma, de modo que el polímero se sintetiza y al mismo tiempo se crea la forma de la pieza. Los procesos de conformación de la espuma de poliuretano se dividen en dos tipos básicos [11]: aspersión y vaciado. La aspersión involucra el empleo de una pistola de rocío en el que los dos ingredientes se introducen de manera continua, se mezclan y luego se rocían sobre una superficie objetivo. Las reacciones que llevan a la polimerización y espumado ocurren después de la aplicación sobre la superficie. Este método se utiliza para aplicar espumas rígidas de aislamiento a paneles para la construcción, vagones y objetos grandes similares. El vaciado involucra la apli-

8.12  Consideraciones sobre el diseño del producto   181

cación de los ingredientes desde una cabeza mezcladora hacia un molde abierto o cerrado en el que tienen lugar las reacciones. Un molde abierto puede ser un contenedor con el contorno requerido (por ejemplo, para un asiento acojinado de automóvil) o un canal largo que se mueve con lentitud por el distribuidor de vaciado para fabricar secciones de espuma continuas y largas. El molde cerrado es una cavidad cerrada por completo en la que se introduce cierta cantidad de la mezcla. La expansión de los reactivos llena por completo la cavidad para formar la pieza. Para poliuretanos de reacción rápida, la mezcla debe inyectarse de prisa a la cavidad del molde con el empleo de moldeo por inyección de reacción (sección 8.6.4). El grado de enlace cruzado, controlado por los ingredientes de arranque, determina la rigidez relativa de la espuma resultante.

8.12  Consideraciones sobre el diseño del producto Los plásticos son un material importante de diseño, pero el diseñador debe estar alerta de sus limitaciones. En esta sección se enlistan algunos lineamientos de diseño para componentes de plástico, se comienza con las que se aplican en general, y siguen las aplicables a la extrusión y moldeo (moldeo por inyección, por compresión y transferencia). Existen lineamientos generales que se aplican sin importar el proceso para dar forma. Sobre todo son limitaciones de los materiales plásticos que el diseñador debe tomar en consideración. • Resistencia y rigidez: Los plásticos no son tan resistentes o rígidos como los metales. No deben usarse en aplicaciones en las que se vayan a encontrar esfuerzos grandes. La resistencia a la termofluencia también es una limitante. Las propiedades de resistencia varían en forma significativa entre los plásticos, y en ciertas aplicaciones las razones resistencia a peso de algunos de ellos son competitivas con las de los metales. • Resistencia al impacto: La capacidad que tienen los plásticos de absorber impactos por lo general es buena; se comparan de modo favorable con la mayoría de metales. • Temperaturas de servicio: Con respecto de las de los metales y cerámicos, las de los plásticos son limitadas. • Expansión térmica: Es mayor para los plásticos que para los metales; por lo que los cambios dimensionales debidos a las variaciones de temperatura son mucho más significativos que para los metales. • Muchos tipos de plásticos están sujetos a degradación por la luz solar y otras formas de radiación. Asimismo, algunos se degradan en atmósferas de oxígeno y ozono. Por último, los plásticos son solubles en muchos solventes comunes. Por el lado positivo, son resistentes a los mecanismos convencionales de corrosión que afectan a muchos metales. La debilidad de plásticos específicos debe ser tomada en cuenta por el diseñador. La extrusión es uno de los procesos más ampliamente utilizado para dar forma a los plásticos. A continuación se presentan varias recomendaciones de diseño para el proceso convencional (recopiladas sobre todo de la referencia [3]). • Espesor de pared: En la sección transversal extruida es deseable un espesor uniforme de la pared. Las variaciones de éste darán como resultado un flujo no uniforme del plástico y enfriamiento irregular que tenderá a pandear o deformar el extruido. • Las secciones huecas complican el diseño del dado y el flujo del plástico. Es deseable utilizar secciones transversales extruidas que no sean huecas pero que satisfagan los requerimientos funcionales. • Esquinas: En la sección transversal deben evitarse las esquinas agudas, dentro y fuera, porque dan como resultado un flujo irregular durante el procesamiento y concentraciones de esfuerzos en el producto final. Los siguientes lineamientos se aplican al moldeo por inyección, por compresión y transferencia (recopilados de [3], [10] y otras fuentes). • Cantidades económicas de producción. Cada parte moldeada requiere un molde único, el cual para cualquiera de estos procesos es costoso, en particular para el moldeo por inyección.

182  CAPÍTULO 8  Procesos para dar forma a los plásticos

•

•

•

• •

•

Las cantidades mínimas de producción para este proceso son de alrededor de 10 000 piezas; para el moldeo por compresión, 1 000 piezas es lo mínimo, debido a los diseños más sencillos del molde que se necesita. El moldeo por transferencia se ubica entre las dos cifras anteriores. Complejidad de la pieza. Si bien las configuraciones geométricas más complejas de la pieza significan moldes más costosos, puede ser económico diseñar un molde complejo si la alternativa involucra muchos componentes individuales que se ensamblen juntos. Una ventaja del moldeo de plástico es que permite combinar en una parte varias características funcionales. Espesor de pared. Las secciones transversales gruesas por lo general son indeseables; con ellas se desperdicia material, es más probable que se causen pandeos o deformaciones por la contracción, y les toma más tiempo endurecer. Es posible usar costillas de refuerzo en las partes de plástico moldeado para obtener mayor rigidez sin un espesor de pared excesivo. Las costillas deben ser más delgadas que las paredes que refuerzan, a fin de minimizar las marcas de hundimiento en la pared exterior. Radios de las esquinas y biseles. Las esquinas agudas, tanto externas como internas, son indeseables en las piezas moldeadas; interrumpen el flujo suave del material fundido, tienden a crear defectos superficiales y ocasionan concentración de esfuerzos en la pieza terminada. Orificios. Es muy factible que ocurran en los moldeos de plástico, pero complican el diseño del molde y la remoción de la pieza. También generan interrupciones en el flujo del material fundido. Ángulo de salida. Una pieza moldeada debe diseñarse con un ángulo de salida (ahusamiento) en sus lados para facilitar la remoción del molde. Esto tiene importancia especial en la pared interior de una pieza en forma de taza, porque el plástico moldeado se contrae contra la forma positiva del molde. El ángulo de salida recomendable para los termofijos es alrededor de 1/2° a 1°; para los termoplásticos, por lo general varía entre 1/8° y 1/2°. Los proveedores de compuestos de plástico para moldeo proporcionan valores recomendados del ahusado para sus productos. Las tolerancias especifican las variaciones permisibles de la manufactura de una pieza. Aunque la contracción es predecible en condiciones muy controladas, son deseables tolerancias generosas para los moldeos por inyección debido a la variación de los parámetros del proceso que afectan la contracción. En la tabla 8.2 se listan las tolerancias comunes para las dimensiones de piezas moldeadas con plásticos seleccionados.

TABLA 8.2  Tolerancias típicas en piezas moldeadas para plásticos seleccionados Tolerancias paraa Plástico Termoplástico:  ABS  Polietileno  Poliestireno

Dimensión de 50 mm

Orificio de 10 mm

Tolerancias paraa Plástico

Dimensión de 50 mm

Orificio de 10 mm

Termofijo: ±0.2 mm (±0.007 pulg) ±0.2 mm (±0.007 pulg)  Epóxicos ±0.15 mm (±0.006 pulg) ±0.05 mm (±0.002 pulg) ±0.2 mm (±0.008 pulg) ±0.08 mm (±0.003 pulg) ±0.3 mm (±0.010 pulg) ±0.3 mm (±0.010 pulg)  Fenoles ±0.15 mm (±0.006 pulg) ±0.15 mm (±0.006 pulg)

Los valores representan la práctica comercial del moldeo. Recopilados de [3], [7], [14] y [19]. a Para tamaños pequeños, las tolerancias pueden reducirse. Para tamaños más grandes, se requieren tolerancias más generosas.

Preguntas de repaso   183

Referencias   [1] Baird, D. G. y Collias, D. I., Polymer Processing Principles and Design. John Wiley & Sons, Inc., Nueva York, 1998.   [2] Billmeyer, Fred, W., Jr. Textbook of Polymer Science. 3a. ed. John Wiley & Sons, Nueva York, 1984.   [3] Bralla, J. G. (editor en jefe). Design for Manufacturability Handbook, 2a. ed., McGraw-Hill Book Company, Nueva York, 1998.   [4] Briston, J. H. Plastic Films, 3a. ed., Longman Group U.K., Ltd., Essex, Inglaterra, 1989.   [5] Chanda, M. y Roy, S. K. Plastics Technology Handbook, Marcel Dekker, Inc., Nueva York, 1998.   [6] Charrier, J-M. Polymeric Materials and Processing. Oxford University Press, Nueva York, 1991.  [7] Engineering Materials Handbook, vol. 2, Engineering Plastics. ASM International, Materials Park, Ohio, 1988.   [8] Hall, C., Polymer Materials, 2a. ed., John Wiley & Sons, Nueva York, 1989.   [9] Hensen, F. (ed.). Plastic Extrusion Technology, Hanser Publishers, Munich, FRG, 1988. (Distribuido en Estados Unidos por Oxford University Press, Nueva York.) [10] McCrum, N. G., Buckley, C. P., y Bucknall, C. B. Principles of Polymer Engineering, 2a. ed., Oxford University Press, Oxford, Reino Unido, 1997.

[11] Modern Plastics Encyclopedia. Modern Plastics, McGrawHill, Inc., Hightstown, Nueva Jersey, 1991. [12] Morton-Jones, D. H. Polymer Processing. Chapman and Hall, Londres, Reino Unido, 1989. [13] Pearson, J. R. A. Mechanics of Polymer Processing, Elsevier Applied Science Publishers, Londres, 1985. [14] Rubin, I. I. Injection Molding: Theory and Practice. John Wiley & Sons, Nueva York, 1973. [15] Rudin, A. The Elements of Polymer Science and Engineering, 2a. ed., Academic Press, Inc., Orlando, Florida, 1999. [16] Strong, A. B. Plastics: Materials and Processing, 3a. ed. Pearson Educational, Upper Sadle River, Nueva Jersey, 2006. [17] Sweeney, F. M. Reaction Injection Molding Machinery and Processes. Marcel Dekker, Inc., Nueva York, 1987. [18] Tadmor, Z. y Gogos, C. G., Principles of Polymer Processing. John Wiley & Sons, Nueva York, 1979. [19] Wick, C., Benedict, J. T. y Veilleux, R. F. Tool and Manufacturing Engineers Handbook, 4a. ed., vol II: Forming. Society of Manufacturing Engineers, Dearborn, Michigan, 1984, capítulo 18.

Preguntas de repaso   8.1. ¿Cuáles son algunas de las razones por las que son importantes los procesos para dar forma a los plásticos?   8.2. Identifique las categorías principales de los procesos para dar forma a los plásticos, según se clasifican por la configuración geométrica del producto resultante.   8.3. En los procesos de formado de plásticos, la viscosidad es una propiedad importante de un polímero fundido. ¿De qué parámetros depende la viscosidad?   8.4. ¿En qué difiere la viscosidad de un polímero fundido, de la mayor parte de fluidos newtonianos?   8.5. ¿Qué significa viscoelasticidad, si se aplica a un polímero fundido?   8.6. Defina el significado de dilatación del dado en el proceso de la extrusión.   8.7. Describa brevemente el proceso de extrusión de plástico.   8.8. El cilindro y tornillo de un extrusor por lo general se dividen en tres secciones, identifique cada una de ellas.  8.9. ¿Cuáles son las funciones del paquete de filtrado y placa rompedora en el extremo del dado del cilindro extrusor? 8.10. ¿Cuáles son las diversas formas de geometrías extruidas y los dados correspondientes? 8.11. ¿Cuál es la diferencia entre lámina y película de plástico? 8.12. ¿En qué consiste el proceso de soplar película para producir ésta? 8.13. Describa el proceso de calandrado. 8.14. Las fibras y filamentos de polímero se utilizan en varias aplicaciones; ¿cuál de éstas es la aplicación comercial más importante?

8.15. ¿Cuál es la diferencia técnica entre una fibra y un filamento? 8.16. Describa brevemente el proceso de moldeo por inyección. 8.17. Una máquina de moldeo por inyección se divide en dos componentes principales; menciónelos. 8.18. ¿Cuáles son las funciones de las compuertas en los moldes de inyección? 8.19. ¿Cuáles son las ventajas de un molde de tres placas sobre uno de dos, en el moldeo por inyección? 8.20. Analice algunos de los defectos que ocurren en el moldeo por inyección de plástico. 8.21. ¿Cuáles son las diferencias significativas en el equipo y procedimientos de operación entre el moldeo por inyección de termoplásticos y el moldeo por inyección de termofijos? 8.22. ¿Qué es moldeo por inyección de reacción? 8.23. ¿Qué clase de artículos se producen por medio del moldeo por soplado? 8.24. ¿Cuál es la forma del material de inicio en el termoformado? 8.25. En el termoformado, ¿cuál es la diferencia entre un molde positivo y uno negativo? 8.26. ¿Por qué los moldes del termoformado mecánico por lo general son más costosos que en el de presión o vacío? 8.27. ¿Cuáles son algunas de las consideraciones generales que los diseñadores de productos deben tener en cuenta al diseñar componentes hechos de plástico?

184  CAPÍTULO 8  Procesos para dar forma a los plásticos

Problemas   8.1. El diámetro de un cilindro extrusor es de 65 mm, y su longitud es de 1.75 m. El tornillo gira a 55 rev/min. La profundidad del canal del tornillo es de 5.0 mm y el ángulo de la paleta es de 18°. La presión estática en el dado en el extremo del cilindro es de 5.0 × 106 Pa. La viscosidad del polímero fundido se da como de 100 Pa-s. Encuentre la velocidad de flujo del plástico en el cilindro.   8.2. Un cilindro extrusor tiene un diámetro de 110 mm y una longitud de 3.0 m. La profundidad del canal del tornillo es de 7.0 mm, y la separación entre sus cuerdas es de 95 mm. La viscosidad del polímero fundido es de 105 Pa-s, y la presión estática en el cilindro es de 4.0 MPa. ¿Cuál es la velocidad rotacional del tornillo que se requiere para lograr una velocidad de flujo volumétrico de 90 cm3/s?   8.3. Un extrusor tiene un diámetro de 80 mm y longitud de 2.0 m. Su tornillo tiene una profundidad de canal de 5 mm, un ángulo de paleta o hélice de 18 grados, y gira a 1 rev/s. El plástico fundido tiene una viscosidad de deformación tangencial de 150 Pa-s. Determine la característica del extrusor con el cálculo de Qmáx y pmáx, y luego encuentre la ecuación de la línea recta entre esos valores.   8.4. Determine el ángulo A de la hélice de modo que el paso p del tornillo sea igual al diámetro de este D. En la extrusión de plásticos, esto se llama el ángulo “cuadrado”, aquel que provee un avance de la paleta o hélice igual a un diámetro por cada rotación del tornillo.   8.5. Un cilindro extrusor tiene un diámetro de 2.5 pulg. El tornillo gira a 60 rev/min; la profundidad de su canal es de 0.20 pulg, y el ángulo de hélice o paleta de 17.5°. La presión estática en el extremo del dado del cilindro es de 800 lb/pulg2, y la longitud de éste es de 50 pulg. La viscosidad del polímero fundido es de 122 × 10–4 lb-s/pulg2. Determine la velocidad de flujo volumétrico del plástico en el cilindro.   8.6. Un cilindro extrusor tiene un diámetro de 4.0 pulg y una razón L/D de 28. La profundidad del canal del tornillo es de 0.25 pulg, y su paso es de 4.8 pulg. Gira a 60 rev/min. La viscosidad del polímero fundido es de 100 × 10–4 lb-s/pulg2. ¿Cuál es la presión estática que se requiere para obtener una velocidad de flujo volumétrico de 150 pulg3/min?   8.7. Un extrusor tiene un cilindro con diámetro y longitud de 100 mm y 2.8 m, respectivamente. La velocidad rotacional del tornillo es de 50 rev/min, la profundidad de canal de 7.5 mm y el ángulo de la paleta o hélice es de 17°. El plástico fundido tiene una viscosidad de corte de 175 Pa-s. Determine: a) la característica del extrusor, b) el factor de forma Ks, para una abertura circular de dado con diámetro de 3.0 mm y longitud de 12.0 mm y c) el punto de operación (Q y p).   8.8. Considere un extrusor en el que el diámetro del cilindro es de 4.5 pulg con longitud de 11 pies. El tornillo extrusor gira a 60 rev/min; tiene una profundidad de canal de 0.35 pulg y ángulo de hélice de 20°. El plástico fundido tiene una viscosidad de corte de 125 × 10–4 lb-s/pulg2. Determine: a) Qmáx y pmáx; b) el factor de forma Ks para una abertura circular en el dado, en la que Dd = 0.312 pulg y Ld = 0.75 pulg, y c) los valores de Q y p en el punto de operación.   8.9. La dimensión especificada para cierta pieza moldeada por inyección hecha de ABS es de 225.00 mm. Calcule la dimensión

8.10.

8.11.

8.12.

8.13.

8.14.

8.15.

8.16.

correspondiente a la que debe maquinarse la cavidad del molde, con el uso del valor de contracción que se da en la tabla 8.1. La dimensión de cierta pieza moldeada por inyección hecha de policarbonato se especifica como de 3.75 pulg. Calcule la dimensión correspondiente a la que debe maquinarse la cavidad del molde, con el uso del valor de contracción que se da en la tabla 8.1. El supervisor en un departamento de moldeo por inyección dice que una de las piezas de polipropileno producida en una de las operaciones tiene una contracción mayor de la que los cálculos indican que debería tener. La dimensión importante de la pieza se especifica como de 112.5 ± 0.25 mm. Sin embargo, la pieza real moldeada mide 112.02 mm. a) Como primer paso, debe revisarse la dimensión correspondiente de la cavidad del molde. Calcule el valor correcto de la dimensión del molde, dado que el valor de contracción para el polietileno es de 0.025 (de la tabla 8.1). b) ¿Qué ajustes deben hacerse en los parámetros del proceso para reducir la cantidad de contracción? El dado de extrusión para un parison de polietileno que se usa en el moldeo por soplado tiene un diámetro medio de 18.0 mm. El tamaño del anillo que abre el dado es de 2.0 mm. Se observa que el diámetro medio del parison se expande a un tamaño de 21.5 mm después de salir del orificio del dado. Si el diámetro del contenedor moldeado por soplado ha de ser de 150 mm, determine a) el espesor de pared correspondiente del contenedor y b) el espesor de pared del parison. Un parison se extruye con un dado cuyo diámetro exterior es de 11.5 mm y el interior de 7.5 mm. La expansión observada del dado es de 1.25. El parison se usa para moldear por soplado el contenedor de una bebida cuyo diámetro exterior es de 112 mm (tamaño estándar de una botella de refresco de 2 litros). a) ¿Cuál es el espesor de pared correspondiente del contenedor? b) Obtenga una botella vacía de plástico de refresco de 2 litros y córtela (con cuidado) a través de su diámetro. Con el uso de un micrómetro mida el espesor de pared y compárelo con su respuesta para el inciso a). Una operación de extrusión se utiliza para producir un parison cuyo diámetro medio es de 27 mm. Los diámetros interior y exterior del dado que produce el parison son 18 mm y 22 mm, respectivamente. Si el espesor de pared mínimo del contenedor moldeado por soplado ha de ser de 0.40 mm, ¿cuál es el diámetro máximo posible del molde soplado? Una operación de moldeo rotacional va a usarse para moldear una pelota hueca hecha de polipropileno. La pelota tendrá un diámetro de 1.25 pies y el espesor de su pared debe ser 3/32 pulg. ¿Cuál es el peso del polvo PE que debe cargarse en el molde a fin de cumplir esas especificaciones? La gravedad específica del grado PE es de 0.90 y la densidad del agua es de 62.4 lb/pies3. El problema en cierta operación de termoformado es que hay un gran adelgazamiento en las paredes de una pieza grande en forma de taza. La operación es de termoformado a presión convencional que usa un molde positivo y el plástico es una lámina ABS con espesor inicial de 3.2 mm. a) ¿Por qué ocurre el adelgazamiento en las paredes de la taza? b) ¿Qué cambios podrían hacerse en la operación, a fin de corregir el problema?

9

Procesos para dar forma al hule y a los materiales compósitos de matriz polimérica (PMC)

CONTENIDO DEL CAPÍTULO 9.1

9.2

9.3

9.4

Procesamiento y formado del hule 9.1.1 Producción de hule 9.1.2 Composición 9.1.3 Mezclado 9.1.4 Formación y procesos relacionados 9.1.5 Vulcanización Manufactura de neumáticos y otros productos de hule 9.2.1 Neumáticos 9.2.2 Otros productos de hule 9.2.3 Procesamiento de elastómeros termoplásticos Materiales y procesos para dar forma a los PMC 9.3.1 Materias primas para PMC 9.3.2 Combinación de la matriz y el refuerzo Procesos con molde abierto 9.4.1 Aplicado manual

9.5

9.6 9.7

9.8

9.4.2 Aplicado por aspersión 9.4.3 Máquinas de aplicación automatizada con cinta 9.4.4 Curado Procesos con molde cerrado 9.5.1 Procesos de moldeo por compresión para PMC 9.5.2 Procesos de moldeo por transferencia para PMC 9.5.3 Procesos de moldeo por inyección para PMC Bobinado de filamentos Procesos de pultrusión 9.7.1 Pultrusión 9.7.2 Pulformado Otros procesos de formado para PMC

Muchos de los procesos que se usan para dar forma a los plásticos (capítulo 8) también son aplicables a los hules (también llamados cauchos) y a los materiales compósitos con matriz polimérica. Sin embargo, es frecuente que los procesos para dar forma deban adaptarse debido a las diferencias en estos materiales. En este capítulo se analizan las adaptaciones y las diferencias. La industria del hule está muy separada de la del plástico y los bienes elaborados con hule se encuentran dominados por un solo producto: los neumáticos. Éstas se emplean en gran número para automóviles, camiones, aeronaves y bicicletas. La tecnología del hule puede rastrearse hasta 1839, con el descubrimiento por Charles Goodyear de la vulcanización, el proceso mediante el cual el hule natural se transforma en un material útil por medio del enlace entrecruzado de las moléculas del polímero. Durante su primer siglo, la industria del hule sólo tenía que ver con el procesamiento de hule natural. Durante la Segunda Guerra Mundial se inventaron los hules sintéticos; hoy día éstos constituyen la mayoría de la producción de hule. Los neumáticos y muchos otros productos de hule son en realidad materiales compósitos de matriz polimérica debido a que contienen negro de humo como fase de refuerzo. Los neumáticos y las bandas transportadoras de

186  CAPÍTULO 9  Procesos para dar forma al hule y a los materiales compósitos de matriz polimérica (PMC)

hule también son estructuras de material compósito debido a que incluyen alambres de acero o materiales de otro tipo para limitar la cantidad de extensión que experimenta el producto. En la sección 9.1 se analiza la tecnología de procesamiento del hule y en la sección 9.2 se estudia la fabricación de neumáticos y otros productos de hule. La cobertura de este capítulo también incluye los procesos de manufactura mediante los cuales se forman productos y componentes útiles a partir de compósitos de matriz polimérica. Un compósito con matriz polimérica (Polymeric Matrix Composite); es un material compósito que consiste en un polímero incorporado a una fase de refuerzo como fibras o polvos. La importancia tecnológica y comercial de los procesos descritos en este capítulo deriva del uso creciente de esta clase de materiales, especialmente los polímeros reforzados con fibra (FRP, Fiber-Reinforced Polymers). Popularmente, al hablar de PMC en realidad se hace referencia a los polímeros reforzados con fibra. Los compósitos de FRP pueden diseñarse con relaciones muy altas de resistencia y rigidez a peso. Estas características los hacen atractivos para aviones, automóviles, camiones, barcos y equipo deportivo. Los procesos de formado para los PMC se analizan en las secciones 9.3 a 9.8.

9.1  Procesamiento y formado del hule La producción de artículos de hule se divide en dos etapas básicas: 1) producción del hule en sí y 2) procesamiento de éste para obtener artículos terminados. La producción de hule difiere, en función de si es natural o sintético. El hule natural (NR, Natural Rubber) se produce como cultivo agrícola, en tanto que la mayoría de los sintéticos se fabrican a partir del petróleo. A la producción de hule sigue su procesamiento hacia los productos finales; éste consiste en 1) composición, 2) mezclado, 3) dar forma y 4) vulcanización. Las técnicas de procesamiento para hules naturales y sintéticos son virtualmente las mismas, las diferencias están en los productos químicos que se emplean para hacer la vulcanización (enlazamiento entrecruzado). Esta secuencia no se aplica a los elastómeros termoplásticos, cuyas técnicas para dar forma son las mismas que para los demás polímeros termoplásticos. Hay varias industrias diferentes involucradas en la producción y procesamiento del hule. La producción de hule crudo natural puede clasificarse como agricultura, puesto que el látex, ingrediente de inicio del hule natural, se cultiva en plantaciones extensas ubicadas en climas tropicales. Por el contrario, los hules sintéticos los produce la industria petroquímica. Por último, el procesamiento de estos materiales en forma de neumáticos, suelas de calzado y otros productos de hule tiene lugar en plantas procesadoras (fábricas). Las procesadoras se conocen por lo común como industria del hule. Algunos de los nombres principales en esta industria incluyen los de Goodyear, B. F. Goodrich y Michelin. La importancia de los neumáticos se ve reflejada en estos nombres.

9.1.1  Producción de hule En esta sección se estudia brevemente la producción de hule antes de que pase al procesador. El análisis diferencia el hule natural del sintético. Hule natural  El hule natural se obtiene del árbol del hule (Hevea brasiliensis), en forma de látex.

Los árboles se cultivan en plantaciones del sureste de Asia y otras partes del mundo. El látex es una dispersión coloidal de partículas sólidas del polímero poliisopreno (sección 2.3.3) en agua. El poliisopreno es la sustancia química que incluye al hule, y la emulsión lo contiene en un 30%. El látex se almacena en tanques grandes, donde se mezcla el producto de varios árboles. El método preferido de obtención del hule a partir del látex involucra la coagulación. Primero se diluye el látex con agua a cerca de la mitad de su concentración natural. Se agrega un ácido como el fórmico (HCOOH) o acético (CH3COOH) para hacer que el látex se coagule al cabo de 12 horas. El coágulo, ahora en forma de trozos sólidos suaves, se exprime a través de una serie de rodillos que expulsan la mayor parte del agua y reducen el espesor a 3 mm (1/8 pulg). Los últimos rodillos tienen muescas que le dan un patrón cuadriculado a las hojas resultantes. Luego, éstas se comprimen sobre marcos de madera para secarlas en ahumaderos. El humo caliente contiene creosota, que impide la

9.1  Procesamiento y formado del hule   187

formación de moho y la oxidación del hule. Normalmente se requieren varios días para terminar el proceso de secado. El hule resultante, ahora en una forma llamada hoja ahumada acanalada, se pliega en pacas grandes para su envío al procesador. Este hule natural tiene un color café oscuro característico. En ciertos casos, las hojas se secan con aire caliente en vez de ahumadores por lo que se aplica el término hoja secada al aire; se considera que éste es el mejor grado de hule. Un grado aún mejor, es el denominado hule crespón o hule de crepé pálido, involucra dos etapas de coagulación; la primera retira los componentes indeseables del hule, y el coágulo que resulta se sujeta luego a un lavado más intenso y a un procedimiento de trabajo mecánico, seguido por el secado con aire caliente. El color del crespón pálido de hule se parece al del tostado claro. Hule sintético  Los distintos tipos de hule sintético se identifican en la sección 2.3.3. La mayor

parte de sintéticos se producen a partir del petróleo con las mismas técnicas de polimerización que se emplean para sintetizar otros polímeros. Sin embargo, a diferencia de los polímeros termoplásticos y termofijos, que se entregan al fabricante en su presentación normal de pellets (partículas) o resinas líquidas, los hules sintéticos se le dan a los procesadores en forma de pacas grandes. La industria ha implantado una larga tradición de manejar el hule natural en estas unidades de carga.

9.1.2 Composición El hule se compone o mezcla siempre con aditivos. Es con la composición que el hule específico se diseña para satisfacer la aplicación dada en términos de propiedades, costo y susceptibilidad de procesamiento. La composición agrega productos químicos para la vulcanización. El azufre se ha utilizado tradicionalmente para este propósito. El proceso de vulcanización se estudia en la sección 9.1.5. Los aditivos incluyen productos de relleno que actúan tanto para mejorar las propiedades mecánicas del hule (rellenos reforzadores) como para mezclarlo y reducir su costo (rellenos no reforzadores). El relleno simple más importante de los hules es el negro de humo, forma coloidal del carbono, de color negro, que se obtiene por descomposición térmica de los hidrocarburos (hollín). Su efecto es incrementar la resistencia a la tensión, a la abrasión y a la separación del producto final. El negro de humo también da protección contra la radiación ultravioleta. Estas mejoras tienen especial importancia para los neumáticos. La mayoría de las piezas de hule son de color negro debido a su contenido de negro de humo. Aunque el negro de humo es el relleno más importante, también se usan otros, que incluyen arcillas chinas, silicatos hidratados de aluminio (Al2Si2O5(OH4)), que proporcionan menos refuerzo que el negro de humo pero se usan cuando el color negro no resulta aceptable; el carbonato de calcio (CaCO3), que es un relleno no reforzador; el sílice (SiO2), que tiene funciones de reforzador o no reforzador, en función del tamaño de sus partículas, y otros polímeros como el estireno, PVC y fenoles. También se agrega hule recuperado (reciclado) como relleno en ciertos productos, pero por lo general no excede la proporción de 10%. Otros aditivos de la composición del hule incluyen antioxidantes para retardar el envejecimiento por oxidación, productos químicos que dan protección contra la fatiga, y el ozono, pigmentos, aceites plastificadores y suavizantes, agentes de soplado para producir hule espuma y compuestos antiadherentes para liberarlo del molde. Muchos productos requieren filamentos de refuerzo para reducir la extensibilidad y conservar otras propiedades deseables del hule. Ejemplos notables de esto son los neumáticos y las bandas transportadoras. Los filamentos que se usan para este propósito incluyen celulosa, nylon y poliéster. La fibra de vidrio y el acero también se emplean como refuerzo (por ejemplo, neumáticos radiales con cinturones de acero). Estos materiales de fibra continua deben agregarse como parte del proceso para dar forma; no se mezclan con los demás aditivos.

9.1.3 Mezclado Los aditivos deben mezclarse por completo con el hule base para obtener una dispersión uniforme de los ingredientes. Los hules sin ser curados tienen viscosidad elevada. El trabajo mecánico

188  CAPÍTULO 9  Procesos para dar forma al hule y a los materiales compósitos de matriz polimérica (PMC)

F, v

FIGURA 9.1  Mezcladores que se usan para procesar el hule: a) molino de dos rodillos y b) mezclador interno tipo Banbury. Estas máquinas también se emplean para “masticación” del hule natural. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

Ariete Tolva Hule Rodillos Marco

Carcasa

Canales de enfriamiento Rotor Puerta de descarga

a)

b)

que experimenta el hule llega a incrementar su temperatura hasta 150 °C (300 °F). Si los agentes de vulcanización estuvieran presentes desde que comienza la mezcla, ocurriría una vulcanización prematura, la pesadilla del procesador de hule [15]. En consecuencia, por lo general se emplea un proceso de mezclado en dos etapas. En la primera de ellas, se combina negro de humo y otros aditivos no vulcanizadores con el hule crudo. El término lote maestro se emplea para esta primera etapa de mezclado. Después de completada la mezcla, y que se ha dado tiempo para que se enfríe, se efectúa la segunda etapa, en la que se agregan agentes vulcanizadores. El equipo para mezclar incluye un molino de dos rodillos y mezcladores internos como el Banbury (figura 9.1). El molino de dos rodillos consiste en dos rodillos paralelos, apoyados en un marco de modo que pueden acercarse para obtener el “pellizco” (tamaño de la abertura o espesor) que se desea, y se hacen rotar con las mismas velocidades u otras ligeramente distintas. Un mezclador interno tiene dos rotores contenidos en una carcasa, como se aprecia en la figura 9.1b), para el mezclador interno tipo Banbury. Los rotores tienen navajas y giran en direcciones opuestas a velocidades diferentes, lo que ocasiona un patrón de flujo complejo en la mezcla contenida.

9.1.4  Formación y procesos relacionados Los procesos para dar forma a los productos de hule se dividen en cuatro categorías básicas: 1) extrusión, 2) calandrado, 3) recubrimiento y 4) moldeo y fundición. La mayoría de estos procesos se estudió en el capítulo anterior. En éste se examinarán los temas especiales que surgen cuando se aplican al hule. Ciertos productos requieren varios procesos básicos más un trabajo de ensamble en su manufactura; por ejemplo, los neumáticos. Extrusión  La extrusión de polímeros se estudia en la sección 8.2. Para extruir el hule, por lo

general se emplean extrusores de tornillo. Igual que con la extrusión de plásticos termofijos, la razón L/D de los barriles extrusores es menor que la de los termoplásticos, y es común que esté en el rango de 10 a 15 para reducir el riesgo de un enlazamiento entrecruzado prematuro. La dilatación del dado ocurre con los extruidos de hule, ya que el polímero se encuentra en una condición muy plástica y presenta la propiedad de memoria (original). Aún no ha sido vulcanizado. Calandrado  Este proceso implica pasar el material de hule a través de una serie de espacios de tamaño decreciente entre un conjunto de rodillos rotatorios (sección 8.3). El equipo que se emplea en la industria del hule es más pesado que el que se usa para los termoplásticos, ya que aquél es más viscoso y difícil de conformar. La salida del proceso es una hoja de hule de espesor determinado por el espacio final entre los rodillos; de nuevo, la hoja se dilata, lo que hace que el espesor sea ligeramente mayor que el tamaño del espacio.

9.1  Procesamiento y formado del hule   189

Rodillos

Tornillo FIGURA 9.2  Proceso con dado laminador: extrusión del hule seguida de rolado. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

Producto F v Cilindro

Hay problemas para producir hojas gruesas, sea por extrusión o calandrado. El control del espesor es difícil en el proceso original, y en el posterior ocurre un entrampamiento del aire. Estos problemas se resuelven en gran medida con la combinación de la extrusión y el calandrado en el proceso de dado laminador (figura 9.2). El dado extrusor es una rendija que alimenta a los rodillos de calandrado. Recubrimiento  El recubrimiento o impregnación de telas con hule es un proceso importante en

la industria de éste. Estos materiales compósitos se emplean en los neumáticos para automóviles, bandas transportadoras, balsas inflables, y telas impermeables para toldos, tiendas e impermeables. El recubrimiento de hule sobre un sustrato de tela incluye varios procesos. Uno de los métodos para recubrir es el calandrado. La figura 9.3 ilustra una forma posible en la que se alimenta la tela a los rodillos del calandrado para obtener una hoja de hule reforzado. Las alternativas del calandrado incluyen desnatado, inmersión y aspersión. En el proceso de desnatado, se aplica una solución espesa de compuesto de hule en un solvente orgánico a la tela conforme se desenrolla desde un carrete surtidor. La tela recubierta pasa por la herramienta de bisturí que desnata el solvente al espesor apropiado, y luego se lleva a una cámara de vapor en la que se quita el solvente por medio de calor. Como sugiere su nombre, la inmersión involucra inmersión temporal de la tela en una solución muy fluida de hule, seguida por secado. De igual modo, en la aspersión se utiliza una pistola rociadora para aplicar la solución de hule. Moldeo y fundición  Los artículos moldeados incluyen suelas de zapato y tacones, juntas y sellos, copas de succión y tapas de botella. Muchas partes de hule espumado (hule espuma) se producen con moldeo. Además, éste es un proceso importante en la producción de neumáticos. Los principales procesos de moldeo de hule son: 1) por compresión, 2) por transferencia y 3) por inyección. El moldeo por compresión es la técnica más importante debido a su uso en la manufactura de neumáticos. El curado (vulcanización) se lleva a efecto en el molde con los tres procesos, lo que representa una diferencia de los métodos para dar forma que ya se estudiaron, y requiere de una etapa separada de vulcanización. Con el moldeo por inyección del hule, hay riesgos de un curado prematuro similar a la que se enfrenta en el mismo proceso cuando se aplica a plásticos termofijos. Las ventajas del moldeo por inyección sobre los métodos tradicionales para producir piezas de hule incluyen un mejor control dimensional, y menor duración del ciclo. Además de su uso en el moldeo de hules convencionales, el moldeo por inyección también se aplica

Rodillos de calandrado FIGURA 9.3  Recubrimiento de tela con hule, con el uso del proceso de calandrado. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

Material

Tela o sustrato Al carrete de enrollado Tela o sustrato recubierto

190  CAPÍTULO 9  Procesos para dar forma al hule y a los materiales compósitos de matriz polimérica (PMC)

a elastómeros termoplásticos. Debido a los altos costos del molde, se requiere que el moldeo por inyección se justifique con grandes cantidades de producción. Para producir guantes y botas de hule se utiliza una forma de fundición llamada fundición por inmersión (sumergida). Involucra la inmersión de un molde positivo en un polímero líquido (o una forma calentada en un plastisol) durante cierto tiempo (el proceso puede involucrar inmersiones repetidas) para formar el espesor deseado. Después se desmonta el recubrimiento de la forma y se realiza el curado para que haya enlazamiento entrecruzado del hule.

9.1.5 Vulcanización La vulcanización es el tratamiento que lleva a cabo el enlazamiento entrecruzado de las moléculas de elastómero, de modo que el hule se vuelve más rígido y resistente, pero mantiene su extensibilidad. La secuencia es de crucial importancia en el procesamiento del hule. El proceso a escala submicroscópica se ilustra en la figura 9.4, en el que las moléculas de cadena larga del hule se unen en ciertos puntos de enlace, el efecto de lo cual es reducir la capacidad que tiene el elastómero para fluir. Un hule común suave tiene uno o dos enlazamientos entrecruzados por cada mil unidades (meros). Conforme aumenta el número de enlazamientos entrecruzados, el polímero se vuelve más rígido y se comporta más como plástico termofijo (hule duro). La vulcanización, inventada por Goodyear, involucra el uso de azufre (alrededor de ocho partes por peso de S (azufre) mezcladas con 100 partes de hule natural) a una temperatura de 140 °C (280 °F) durante unas cinco horas. En el proceso no entraba ningún otro producto químico. Hoy día, la vulcanización con sólo azufre ya no se emplea más como tratamiento comercial, debido a los periodos largos de curado. Otros productos, inclusive óxido de zinc (ZnO) y ácido esteárico (C18H36O2), se combinan con dosis pequeñas de azufre a fin de acelerar y dar resistencia al tratamiento. El tiempo de curado resultante es de 15 a 20 minutos por neumático de un automóvil normal de pasajeros. Además, se han creado varios tratamientos de vulcanización sin azufre. En los procesos de moldeo con hule, la vulcanización se lleva a cabo en el molde mediante la conservación de la temperatura en el nivel apropiado para el curado. En otros procesos de formado, la vulcanización se lleva a cabo después de que la pieza ha sido formada. Los tratamientos por lo general se dividen en procesos por lote y procesos continuos. Los métodos por lote incluyen el uso de una autoclave, recipiente de presión calentado con vapor; y el curado con gas, en el que un gas inerte como el nitrógeno cura al hule. Muchos de los procesos básicos hacen un producto continuo, y si la salida no se corta en piezas separadas o discretas, es apropiado aplicar vulcanización continua. Los métodos continuos incluyen vapor a alta presión, adecuado para el curado del hule que recubre alambre y cable; el túnel de aire caliente, para extrusión celular y

a)

Molécula de hule

Enlaces entrecruzados

b) 1)

2)

FIGURA 9.4  Efecto de la vulcanización sobre las moléculas de hule: 1) hule crudo; 2) hule vulcanizado (enlace entrecruzado). Las variantes de (2) incluyen: a) hule suave, bajo grado de enlazamiento entrecruzado, y b) hule duro, alto grado de enlazamiento entrecruzado. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

9.2  Manufactura de neumáticos y otros productos de hule   191

aislantes de alfombras (bajoalfombras) [5], y el curado con tambor continuo, en el que hojas continuas de hule (por ejemplo, bandas y materiales para pisos) pasan a través de uno o más rodillos calentados para efectuar la vulcanización.

9.2  Manufactura de neumáticos y otros productos de hule Los neumáticos son el producto principal de la industria del hule, que contribuye con tres cuartas partes del tonelaje total. Otros productos importantes incluyen suelas, mangueras, bandas transportadoras, sellos, componentes para absorber impactos, productos de hule espumado y equipo deportivo.

9.2.1 Neumáticos Los neumáticos son componentes esenciales de los vehículos en que se usan. Se utilizan en automóviles, camiones, autobuses, tractores agrícolas, equipo para movimiento de tierras, vehículos militares, bicicletas, motocicletas y aviones. Los neumáticos soportan el peso del carro y el de los pasajeros y carga a bordo; transmiten el par del motor para impulsar el vehículo (excepto en los aviones), y absorben las vibraciones del camino y los impactos para brindar un viaje confortable. Construcción de un neumático y secuencia de la producción  Un neumático es el ensamble de muchas piezas, cuya manufactura es inesperadamente compleja. Un neumático de automóvil de pasajeros consiste en alrededor de 50 piezas individuales; la de un equipo grande para mover tierra puede llegar a tener 175. Para comenzar, hay tres construcciones básicas de neumáticos: a) de capas diagonales, b) de diagonal con cinturones (cinturada) y c) de capas radiales, que se ilustran en la figura 9.5. En los tres casos, la estructura interna del neumático, conocida como carcasa, consiste en capas múltiples de cuerdas cubiertas de hule, llamados capas. Las cuerdas son tiras de varios materiales como nylon, poliéster, fibra de vidrio y acero, que suministran inextensibilidad para reforzar al hule en la carcasa. La llanta de capa diagonal tiene las cuerdas que corren diagonalmente, pero en direcciones perpendiculares en capas adyacentes. Un neumático común en diagonal tiene cuatro capas. El neumático de diagonal con cinturones está hecho de capas diagonales con sesgos opuestos, pero agrega varias capas alrededor de la periferia exterior de la carcasa. Estos cinturones incrementan la rigidez del neumático en el área de rodamiento y limitan su expansión diametral durante el inflado. Las cuerdas en el cinturón también corren en forma diagonal, como se indica en el esquema. Un neumático radial tiene capas que corren en forma radial en vez de diagonal; también usa cinturones alrededor de la periferia para proveer apoyo. Un neumático radial con cinturones de acero es aquel en el que los cinturones de la circunferencia tienen cuerdas hechas de acero. La construcción radial proporciona una pared lateral más flexible que tiende a reducir el esfuerzo sobre los cinturones y banda o área de rodamiento cuando se deforman de modo continuo o en contacto con la superficie plana del camino durante la rotación. Este efecto va acompañado de una vida más larga de la banda de rodamiento, y mejoran la estabilidad al dar la vuelta y en el manejo, y da un agarre mejor a velocidades altas. En cada tipo de construcción, la carcasa está cubierta de hule sólido que alcanza un espesor máximo en el área de rodamiento; también está forrada por dentro con un recubrimiento de hule. Para neumáticos con cámaras interiores, el forro interior es un recubrimiento delgado que se aplica a la capa más interna durante la fabricación. Para neumáticos sin cámaras, el forro interior debe tener permeabilidad baja, porque mantiene la presión del aire; por lo general se trata de un hule laminado. La producción de neumáticos se resume en tres etapas: 1) el preformado de los componentes, 2) la construcción de la carcasa y agregar bandas de hule para formar las paredes y superficies de rodamientos y 3) el moldeo y curado de los componentes en una pieza integral. Las descripciones de estas etapas que siguen son comunes; hay variantes en el proceso según la construcción, tamaño de neumático y tipo de vehículo en que se usará.

192  CAPÍTULO 9  Procesos para dar forma al hule y a los materiales compósitos de matriz polimérica (PMC)

Banda de rodamiento Cinturones

Banda de rodamiento Capas diagonales (4)

Capas diagonales (2) Forro interior

Forro interior Relleno

Pared lateral

Alambres de acero

Envoltura de talón

Relleno

Pared lateral

Alambres de acero

Envoltura de talón

Cordones de talón

Cordones de talón b)

a) Banda de rodamiento Cinturones

Capas radiales (2) Pared lateral

Forro interior Relleno Alambres de acero

Envoltura de talón

Cordones de talón c)

FIGURA 9.5  Tres construcciones principales de neumáticos: a) de capas diagonales, b) de diagonal con cinturones y c) de capas radiales. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

Preformado de componentes  Como se muestra en la figura 9.5, la carcasa consiste en cierto número de componentes separados, la mayor parte de los cuales son hule o hule reforzado. Éstos, así como el hule de la pared lateral y la banda de rodamiento, se producen en procesos continuos y luego se cortan al tamaño y forma para el ensamble posterior. Los componentes, citados en la figura 9.5 y los procesos de preformado para fabricarlos son:

• Cordón de talón (ceja). Alambre de acero continuo recubierto de hule, cortado, enrollado y con los extremos unidos. • Capas. Tela continua (textil, nylon, fibra de vidrio, acero) cubierta de hule en un proceso de calandrado y precortada al tamaño y forma. • Forro interior. Para neumáticos con cámaras, el forro interior es con calandrado sobre la capa más interna. Para neumáticos sin cámara, el forro es calandrado como laminado de dos capas. • Cinturones. Tela continua recubierta de hule (como los pliegues), pero cortada en ángulos diferentes para tener mejor refuerzo; después se fabrica en cinturones multicapa. • Banda de rodamiento. Extruida como banda continua; después se corta y preensambla a los cinturones. • Pared lateral. Se extruye como banda continua; luego se corta al tamaño y forma. Construcción de la carcasa  La carcasa se ensambla por tradición con el uso de una máquina

conocida como tambor de construcción, cuyo elemento principal es un árbol giratorio cilíndrico. Alrededor de éste se construyen bandas o tiras precortadas que forman la carcasa en un procedimiento paso a paso. Las capas sucesivas que forman la sección transversal del neumático están ancladas en los lados opuestos de éste por dos cordones (bobinas) de talón. Los cordones de talón consisten en filamentos múltiples de alambre de acero de alta resistencia. Su función es brindar un soporte rígido cuando la llanta se monta en el rin. Con las capas y cordones de talón

9.2  Manufactura de neumáticos y otros productos de hule   193

Tira de superficie de rodamiento FIGURA 9.6  Llanta justo antes de retirarse del tambor de construcción, antes del moldeo y el curado. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

Tambor de construcción (lo gira el trabajador para facilitar el ensamble)

Neumático Cordón de talón

Tambor plegable (para retirar el neumático) Pared lateral

Apoyo para el tambor Pared lateral

se combinan otros componentes. Éstos incluyen varias envolturas y piezas de relleno para dar al neumático la resistencia apropiada, resistencia al calor, retención de aire y ajuste al rin de la rueda. Después de que estas piezas han sido colocadas alrededor del árbol y se ha agregado el número apropiado de capas, se aplican los cinturones. A esto le sigue el hule exterior, que se convertirá en la pared lateral y la banda de rodamiento.1 En este punto del proceso, las bandas de rodamiento son tiras de hule de sección transversal uniforme, el diseño del dibujo en la banda de rodamiento se agrega después, en el moldeo. El tambor de construcción es plegadizo, de modo que el neumático sin acabado puede retirarse una vez terminado. En esta etapa, la forma del neumático es aproximadamente tubular, como se ilustra en la figura 9.6. Moldeo y curado  Los moldes de los neumáticos por lo general son elementos de dos piezas (moldes deslizantes) y contienen el patrón o dibujo de la banda de rodamiento que ha de imprimirse en el neumático. El molde está sujeto a una prensa, una mitad a la placa superior (la tapa) y la mitad inferior a la placa de abajo (la base). La llanta sin curar se coloca sobre el diafragma expansible (también llamado bladder) y se inserta entre las mitades del molde, como se observa en la figura 9.7. Después, se cierra la prensa y el diaframa se expande, de modo que el hule suave se comprime contra la cavidad del molde. Esto hace que se imprima el patrón de la banda al hule. Al mismo tiempo, éste se calienta, tanto desde el exterior del molde y desde el interior del diafragma. Para calentar este último se emplea agua caliente o vapor en circulación. La duración de este paso del curado depende del espesor de la pared del neumático. Un neumático de automóvil común de

Molde deslizante de llanta Patrón de la banda de rodamiento (del molde del neumático)

Porción de la banda de rodamiento

Llanta sin acabado, desde el tambor de construcción

Porción de pared lateral

Cordón de talón

Diafragma expansible 1)

Diafragma inflado 2)

FIGURA 9.7  Moldeo de neumáticos (se muestra la sección transversal de un neumático): 1) se coloca el neumático sin ser curado sobre un diafragma expansible; 2) el molde se cierra y el diafragma se expande para forzar el hule sin curar contra la cavidad del molde, lo que imprime el patrón de la banda de rodamiento al hule; se calientan el molde y el diafragma para el curado del hule. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

1

Técnicamente, el dibujo de la banda de rodamiento y la pared lateral no suelen considerarse componentes de la carcasa.

194  CAPÍTULO 9  Procesos para dar forma al hule y a los materiales compósitos de matriz polimérica (PMC)

pasajeros se cura aproximadamente en 15 minutos. Los neumáticos de bicicleta son curados en 4 minutos, mientras que los neumáticos para equipos grandes para mover tierra requieren varias horas de curado. Una vez terminada ésta, el neumático se enfría y se quita de la prensa.

9.2.2  Otros productos de hule La mayoría de productos de hule están hechos con procesos menos complejos. Las bandas de hule se emplean mucho en transportadores y sistemas mecánicos de transmisión de potencia. Igual que con los neumáticos, el hule es un material ideal para estos productos, pero la banda debe tener flexibilidad y poca o ninguna elasticidad a fin de que funcione. En concordancia, se refuerza con fibras, por lo común poliéster o nylon. Las telas de estos polímeros por lo general se recubren en operaciones de calandrado, se ensamblan juntas para obtener el número de capas y espesor requeridos, y después se vulcanizan por medio de procesos continuos o de calentamiento por lotes. Una manguera de hule puede ser sencilla o reforzada. La manguera sencilla es un tubo extruido. El tubo de refuerzo consiste en un tubo interior, una capa de refuerzo (a veces denominada carcasa) y una cubierta. El tubo interno se extruye de un hule compuesto para la sustancia particular que fluirá por él. La capa de refuerzo se aplica al tubo en forma de tela, espiral, tejida, trenzada, u otro método de aplicación. La capa exterior está compuesta para resistir las condiciones ambientales. Se aplica por extrusión, con el uso de rodillos o de otras técnicas. Los componentes de calzado incluyen suelas, tacones, botas de hule y ciertas partes superiores. Para fabricar componentes de calzado se usan varios hules. Las piezas moldeadas se producen por inyección, compresión y ciertas técnicas especiales de moldeo creadas por la industria del calzado. Los hules incluyen variedades tanto sólida como espumada. En ciertos casos, para un volumen bajo de producción, se utilizan métodos manuales para cortar el hule de un suministro sencillo. El hule se usa mucho en equipo y artículos deportivos, que incluyen superficies de paletas para ping pong, mangos de palos de golf, sacos de golpeo para fútbol americano, y pelotas deportivas de varias clases. Por ejemplo, las pelotas de tenis se fabrican en número significativo. La producción de estos artículos deportivos se hace con los diversos procesos para dar forma que se estudiaron en la sección 9.1.4, así como con técnicas especiales implantadas para objetos particulares.

9.2.3  Procesamiento de elastómeros termoplásticos Un elastómero termoplástico (TPE, por sus siglas en inglés) es un polímero termoplástico que tiene las propiedades de un hule (sección 2.3); también se emplea el término hule termoplástico. El TPE se procesa como los termoplásticos, pero sus aplicaciones son las de los elastómeros. Los procesos para dar forma más comunes son el moldeo por inyección y la extrusión que, por lo general, son más económicos y rápidos que los procesos tradicionales que se emplean para los hules, que deben vulcanizarse. Los productos moldeados incluyen suelas, calzado deportivo y componentes automotrices, como extensiones de salpicaderas y paneles para las esquinas (pero no neumáticos; se ha descubierto que los TPE no son satisfactorios para esa aplicación). Los artículos extruidos incluyen recubrimiento para aislar alambres eléctricos, tubería para aplicaciones médicas, bandas transportadoras, y láminas y películas. Otras técnicas de formado de TPE incluyen el moldeo por soplado y termoformado (secciones 8.8 y 8.9); estos procesos no pueden utilizarse para hules vulcanizados.

9.3  Materiales y procesos para dar forma a los PMC Algunos de los procesos para dar forma a los PMC que se describen en las siguientes secciones son lentos y requieren una mano de obra muy intensa. En general, las técnicas para dar forma a compósitos son menos eficientes que los procesos de manufactura para otros materiales. Hay dos

9.3  Materiales y procesos para dar forma a los PMC   195

razones para esto: 1) los materiales compósitos son más complejos que otros materiales porque constan de dos o más fases, y en el caso de los plásticos reforzados con fibra, hay necesidad de orientar la fase de refuerzo y 2) las tecnologías de procesamiento para los compósitos no han sido mejoradas y refinadas desde hace algunos años como los procesamientos para otros materiales. La variedad de métodos para dar forma para polímeros reforzados con fibra es muchas veces abrumadora para estudiantes en su primera lectura. Los procesos para dar forma a compósitos de FRP pueden dividirse en cinco categorías: 1) procesos en molde abierto, 2) procesos en molde cerrado, 3) bobinado de filamentos, 4) procesos de pultrusión y 5) otros. Los procesos en molde abierto incluyen algunos de los procedimientos originales en los que se depositan manualmente resinas y fibras sobre una forma. Los procesos en molde cerrado son los mismos del moldeo de plásticos, el lector puede reconocer los nombres: moldeo por compresión, moldeo por transferencia, moldeo por inyección, aunque los nombres pueden cambiar algunas veces y se pueden hacer modificaciones para los PMC. En el bobinado de filamentos se enrollan filamentos continuos que han sido sumergidos en resina líquida alrededor de un mandril giratorio; cuando la resina es el agente de curado, se genera una forma cilíndrica rígida y hueca. La pultrusión es un proceso para dar forma y permite producir secciones largas, rectas y de sección transversal constante; es similar a la extrusión, solamente que adaptada para incluir refuerzos de fibra continua. La categoría de “otros” incluye varias operaciones que no encajan en las categorías previas. Algunos de estos procesos se usan para dar forma a compósitos de fibras continuas, mientras que otros se usan para PMC de fibras cortas. El estudio inicia por explorar cómo se producen las fases individuales en un PMC y cómo se combinan estas fases con las materias primas para formado.

9.3.1  Materias primas para PMC En un PMC, las materias primas son un polímero y una fase de refuerzo. Se procesan separadamente antes de convertirse en fases del compósito. Esta sección considera cómo se producen estos materiales, antes de combinarse. Matriz polimérica  En los PMC se usan como matrices los tres tipos de polímeros básicos, termoplásticos, termofijos (o termoestables) y elastómeros. Los polímeros termofijos (TS, ThermoSets) son los materiales de las matrices más comunes. Los principales polímeros TS son los fenólicos, los poliésteres insaturados y los epóxicos. Los fenólicos se asocian con el uso de las fases de refuerzo particulado, en tanto que los poliésteres y los epóxicos se asocian más estrechamente con los FRP. Los polímeros termoplásticos (TP) se usan también en los PMC, y de hecho los compuestos de moldeo son materiales compósitos que incluyen rellenos o agentes de refuerzo. Como se mencionó antes, la mayoría de los elastómeros son materiales compósitos debido a que casi todos los hules se refuerzan con negro de humo. En esta sección y en las siguientes, la cobertura se limita al procesamiento de PMC cuya matriz es un polímero termofijo o termoplástico. Aunque muchos de los procesos de formado de polímeros analizados en el capítulo 8 se aplican a los compósitos de matriz polimérica, la combinación del polímero con los agentes de refuerzo complica algunas veces las operaciones. El agente reforzador  La fase de refuerzo puede tener varias geometrías y ser de distintos materiales. Las geometrías incluyen fibras, partículas y hojuelas, y los materiales son cerámicos, metales, otros polímeros, o elementos como carbono o boro. Los materiales más comunes de fibra utilizados en los FRP son el vidrio, el carbono y el polímero Kevlar. Las fibras de estos materiales se fabrican mediante varias técnicas, algunas de las cuales se estudian en otros capítulos. Las fibras de vidrio se fabrican por el estiramiento a través de pequeños orificios (sección 7.2.3). En el caso del carbono, se lleva a cabo una serie de tratamientos térmicos para transformar el filamento precursor, que contiene un compuesto de carbono, en una forma más pura de carbono. El precursor puede estar fabricado de diversas sustancias dentro de las que se incluyen el poliacrilonitrilo (PAN), pitch (una resina negra de carbón formada en la destilación del alquitrán de carbón, alquitrán de madera, petróleo crudo, etc.) o rayón

196  CAPÍTULO 9  Procesos para dar forma al hule y a los materiales compósitos de matriz polimérica (PMC)

(celulosa). Las fibras de Kevlar se fabrican por medio de extrusión combinada con estirado a través de pequeños orificios en una hilera (sección 8.4). En los filamentos continuos, las fibras se combinan con la matriz polimérica en varias formas, dependiendo de las propiedades que se desean en el material y de los métodos de procesamiento utilizados para formar el compósito. En algunos procesos los filamentos son continuos, mientras que en otros se trozan en fibras cortas. En la forma continua, se dispone de filamentos individuales en forma de mechas. Una mecha es un conjunto no torcido de fibras continuas (paralelas); es una forma conveniente para manejar y procesar. Las mechas típicas contienen de 12 a 120 fibras individuales. Por el contrario, un hilo es un conjunto torcido de filamentos. Las mechas continuas se usan en varios procesos de PMC, incluyendo el bobinado de filamentos y la pultrusión. La forma más familiar de fibra continua es una tela o trama tejida de hilos. El tejido de mechas, muy similar a una tela, pero distinguido en este contexto, consiste en filamentos no torcidos en lugar de hilos. Los tejidos de mechas se pueden producir con números desiguales de fibras en dos direcciones, de manera que su resistencia sea más grande en una dirección que en la otra. Dicho tejido unidireccional de mechas se prefiere muchas veces para los compósitos laminados de FRP. Las fibras pueden prepararse también en forma de esteras, un fieltro que consiste en fibras cortas orientadas aleatoriamente y aglomeradas holgadamente con un aglutinante, algunas veces en una tela portadora. Las esteras se venden como mantas de varios pesos, espesores y anchos. Las esteras se pueden cortar y conformar para usarse como preformas en algunos procesos en molde cerrado. Durante el moldeado, las resinas impregnan la preforma y luego son curadas, produciendo así una parte moldeada con refuerzo de fibra. Partículas y hojuelas  Las partículas y las hojuelas caen realmente en una sola clase. Las hojuelas son partículas cuyo ancho y largo son mayores en relación a su espesor. La caracterización de los polvos de ingeniería se estudia en el apéndice del capítulo 10. Los métodos de producción de polvos metálicos se estudiarán en la sección 10.1 y las técnicas para producir polvos cerámicos, en la sección 11.1.

9.3.2 Combinación de la matriz y el refuerzo La incorporación del agente de refuerzo a la matriz polimérica ocurre durante el proceso para dar forma o antes. En el primer caso, los materiales iniciales (materia prima) llegan a la operación de fabricación en entidades separadas y se combinan dentro del compósito durante el proceso para dar forma. Ejemplos de este caso son el bobinado de filamentos y la pultrusión. El refuerzo inicial en este proceso consiste en fibras continuas. En el segundo caso, los dos materiales componentes se combinan en una forma preliminar que se usa convenientemente en el proceso de formado. Casi todos los termoplásticos y termofijos (termoestables) que se usan en los procesos para dar forma al plástico son, de hecho, polímeros combinados con rellenos. Los rellenos son fibras cortas o particulados (incluyendo hojuelas). Las formas iniciales que se usan en los procesos de formado, diseñados para compósitos de FRP, son los de mayor interés en este capítulo. Estas formas iniciales son compósitos prefabricados que llegan listos para usarse en los procesos para dar forma, son compuestos de moldeo y productos preimpregnados (prepegs, en inglés). Compuestos de moldeo  Los compuestos para moldeo son similares a los que se usan en el

moldeo de plásticos. Se diseñan para usarse en operaciones de moldeo, de tal manera que puedan fluir, al menos hasta cierto grado. La mayoría de los compuestos de moldeo para el procesado de los compósitos son polímeros termofijos. Por consiguiente, no han sido curados, el curado se hace durante o después de dar la forma final. Los compuestos de moldeo para compósitos de FRP consisten en matrices de resina con fibras cortas dispersadas al azar, y vienen en varias formas. Los compuestos para el moldeo de láminas (SMC, Sheet Molding Compound) son una combinación de resina de polímero termofijo, rellenos, y otros aditivos, y fibras de vidrio trituradas o cortadas (orientados al azar), que se laminan a un espesor típico de 6.5 mm (0.250 pulg).

9.4  Procesos con molde abierto   197

Mecha continua Rodillo triturador FIGURA 9.8  Proceso para producir el compuesto para el moldeo de lámina (SMC). (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

Bisturí Pasta de resina Película portadora

Mechas en trozos Bisturí

Rodillos compactadores

Pasta de resina

Carrete de enrollado Película portadora

SMC

La resina más común es el poliéster insaturado. Los rellenos son generalmente polvos minerales como talco, sílice y piedra caliza; y las fibras de vidrio tienen una longitud típica de 12 a 75 mm (0.5 a 3 pulg), esto representa cerca de 30% del SMC en volumen. Es muy conveniente manejar y cortar al tamaño adecuado los SMC como cargas de moldeo. Los compuestos de moldeo para láminas se producen generalmente entre cargas delgadas de polietileno para limitar la evaporación de los ingredientes volátiles de la resina termofija. El recubrimiento protector mejora también el acabado superficial de las piezas moldeadas subsecuentes. En la figura 9.8 se describe el proceso para la fabricación de los SMC continuos. Los compuestos para moldeo volumétrico (BMC, Bulk Molding Compound) consisten en ingredientes similares a los de los SMC, pero el polímero compuesto se hace en forma de barra en lugar de lámina. Las fibras en los BMC son más cortas, típicamente de 2 a 12 mm (0.1 a 0.15 pulg), debido a la mayor fluidez requerida en las operaciones de moldeo para las cuales se diseñan estos materiales. El diámetro de las barras es generalmente de 25 a 50 mm (1 a 2 pulg). Los procesos para producir BMC son similares a los de SMC, excepto que se usa la extrusión para obtener la forma final de la barra. Los BMC se conocen también como compuestos para moldeo en pasta (DMC, Dough Molding Compound) porque tiene una consistencia pastosa. Otros compuestos para moldeo de FRP son el compuesto para moldeo grueso (TMC, Thick Molding Compound) que es similar al SMC pero más grueso, alcanza hasta 50 mm (2 pulg); y los compuestos moldeados paletizados, que son básicamente compuestos para el moldeo convencional de plásticos que contienen fibras cortas. Productos preimpregnados  Otra forma prefabricada para operaciones de formado de FRP son

los productos preimpregnados (Prepegs, en inglés), que consisten en fibras impregnadas con resinas termofijas parcialmente curadas para facilitar el proceso para dar forma. El curado completo debe realizarse durante o después del formado (o en ambos). Los productos preimpregnados se disponen en forma de cintas, láminas o telas aplicadas transversalmente. La ventaja de los productos preimpregnados es que se fabrican con filamentos continuos más que con fibras recortadas (en trozos) aleatoriamente, incrementando así la resistencia y el módulo del producto final. Las cintas y láminas con productos preimpregnados se asocian con compósitos que están reforzados con boro, carbono-grafito, Kevlar o fibras de vidrio.

9.4  Procesos con molde abierto La característica distintiva de esta familia de procesos para dar forma de FRP, es el uso de una sola superficie de molde positivo o negativo (véase la figura 9.9) para producir estructuras laminadas de FRP. El proceso en molde abierto también se conoce con otros nombres, como laminación por contacto y moldeo por contacto. Los materiales iniciales (resinas, fibras, esteras y mechas tejidas) se aplican al molde en capas para constituir el espesor deseado. Después continúa el

198  CAPÍTULO 9  Procesos para dar forma al hule y a los materiales compósitos de matriz polimérica (PMC)

a)

b)

FIGURA 9.9  Tipos de molde abierto: a) positivo y b) negativo. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

curado y el retiro de la pieza. Las resinas comunes para estos procesos son poliésteres insaturados y epóxicos, usando fibra de vidrio como refuerzo. Las piezas moldeadas generalmente son grandes (por ejemplo, cascos para lanchas). La ventaja de usar moldes abiertos es que el costo del molde es mucho menor que si se usaran moldes que se acoplan. La desventaja es que solamente la superficie de la pieza en contacto con el molde es una superficie acabada; el otro lado queda áspero. El molde en sí, debe ser muy liso para un mejor acabado de la superficie de la pieza. Hay varios procesos importantes de molde abierto para FRP. Las diferencias están en los métodos para aplicar las capas al molde, las técnicas de curado alternativo y otras variaciones. En esta sección describimos la familia de procesos de molde abierto para dar forma a los plásticos reforzados con fibra: 1) aplicado manual, 2) aspersión y 3) máquinas de aplicación automatizada con cinta. El aplicado manual es el proceso básico y los otros son modificaciones y refinamientos.

9.4.1  Aplicado manual El aplicado manual es el método en molde abierto más antiguo para laminados de FRP, se remonta a la década de 1940, cuando se usó por primera vez para fabricar cascos de lanchas o botes. Es también el método que tiene mayor intensidad de mano de obra. Como su nombre indica, el aplicado manual es un método en el cual se aplican manualmente capas sucesivas de resina y refuerzo en un molde abierto para construir la estructura compósita del FRP laminado. El procedimiento básico consiste en cinco pasos, como se ilustra en la figura 9.10. La pieza terminada se debe recortar generalmente con una sierra mecánica para dimensionar los bordes exteriores. En general se requieren estos mismos cinco pasos en todos los procesos de molde abierto; las diferencias entre los diversos métodos ocurren en los pasos 3 y 4. Cada capa de refuerzo de fibra está seca en el paso 3, cuando se coloca sobre el molde. Se vacía entonces la resina líquida (no curada), o se aplica por vaciado, con brocha o por aspersión. El impregnado de la estera o tela de fibra se hace con rodillos de mano. A esta operación se le conoce como aplicación húmeda. Un procedimiento alternativo se realiza mediante el uso de productos preimpregnados (prepregs, en inglés) donde primero se preparan las capas impregnadas de refuerzo de fibra y luego se colocan en la superficie del molde. Las ventajas que se atribuyen a los productos preimpregnados son un control más estrecho sobre la mezcla de fibra y resina, y métodos más eficientes para agregar las capas [17]. Los moldes para laminar por contacto en molde abierto se pueden hacer de yeso, metal, plásticos reforzados con fibra de vidrio u otros materiales. La selección del material depende de la economía, la calidad de la superficie y otros factores técnicos. Para la fabricación de prototipos donde se produce solamente una pieza se usa moldes de yeso. Para cantidades medias, los moldes se pueden hacer de plástico reforzado con fibra de vidrio. La alta producción requiere generalmente moldes metálicos (o coquillas metálicas). Se usan algunas veces el aluminio, el acero y el níquel con las superficies de la cara del molde endurecidas, para resistir el desgaste. Una ventaja del metal, además de su durabilidad, es su alta conductividad térmica que permite instrumentar sistemas de curado por calor, o simplemente disipar el calor del laminado mientras éste es curado a temperatura ambiente. La aplicación manual se presta generalmente para productos de gran tamaño fabricados en baja cantidad. Aparte de los cascos de lanchas o botes, este procedimiento se usa para producir

9.4  Procesos con molde abierto   199

Recubrimiento de gel

v

Rodillo F

1)

Capas de fibra y resina

3)

2)

Parte terminada y lista para recortarse

4)

5)

FIGURA 9.10  Procedimiento de aplicación manual: 1) se limpia el molde y se trata con un agente antiadherente; 2) se aplica un recubrimiento delgado de gel (resina, posiblemente pigmentada con color) que se convertirá en la superficie externa de la pieza; 3) después que el recubrimiento de gel ha fraguado parcialmente, se aplican capas sucesivas de fibra y resina en la fibra en forma de estera o tela; a cada capa se le pasa un rodillo para impregnar completamente la fibra con la resina y remover las burbujas de aire; 4) se realiza el curado de la parte, y 5) se retira del molde la parte completamente endurecida. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

albercas, grandes contenedores de almacenamiento, escenarios de utilería, cúpulas o domos y otras formas laminadas. También se hacen piezas automotrices, pero el método no es económico para la alta producción. Las piezas moldeadas más grandes que se han hecho con este proceso fueron unos cascos de 85 m (280 pies) de largo para la British Royal Navy [3].

9.4.2  Aplicado por aspersión La aspersión es un intento de mecanizar la aplicación de capas de resina y fibra, así como para reducir el tiempo de la operación. Es una alternativa para el paso 3 en el procedimiento manual. En el método por aspersión la resina líquida y las fibras cortadas se rocían sobre un molde abierto para construir capas sucesivas de FRP, como se muestra en la figura 9.11. La pistola aspersora está equipada con un mecanismo de corte alimentado con una mecha de filamentos que corta en fibras cuyas longitudes van de 25 a 75 mm (1 a 3 pulg), los cuales se incorporan a la corriente de resina a la salida de la boquilla. La acción mezcladora genera una orientación aleatoria de las fibras en la capa, a diferencia de la aplicación manual en la cual los filamentos pueden orientarse como se quiera. Otra diferencia es que el contenido de fibra en la aspersión se limita a cerca de 35% (comparado con un máximo de cerca de 65% en el aplicado manual). Ésta es una deficiencia de los procesos de aspersión y mezclado. La aspersión se puede realizar manualmente usando una pistola portátil o mediante una máquina automatizada, en la cual se programa y controla la ruta de la pistola aspersora por una computadora. El procedimiento automatizado es ventajoso para la eficiencia del trabajo y la protección ambiental. Las máquinas de trayectoria controlada pueden operar en áreas selladas sin la presencia de seres humanos, ya que algunas de las emisiones volátiles de las resinas líquidas son peligrosas. Sin embargo, generalmente se requiere el impregnado con rodillos para cada capa, como en el procedimiento manual.

200  CAPÍTULO 9  Procesos para dar forma al hule y a los materiales compósitos de matriz polimérica (PMC)

Mecha continua

Mecanismo de corte Rociado de resina y fibras cortadas FIGURA 9.11  Método de aplicación por aspersión. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

Resina líquida Boquilla Capa de resina rociada

Los productos hechos con el método de aspersión incluyen cascos para lanchas o botes, tinas de baño, casetas para ducha, piezas para carrocerías de automóviles y camiones, componentes de vehículos recreativos, muebles, paneles estructurales grandes y contenedores. Las pantallas para cine y escenarios de utilería se hacen algunas veces por este método. Debido a que tienen fibras cortas orientadas aleatoriamente, los productos hechos por aspersión no son tan fuertes como los hechos por aplicación manual de capas cuyas fibras son continuas y dirigidas.

9.4.3  Máquinas de aplicación automatizada con cinta Éste es otro intento de automatizar y acelerar el paso 3 en el procedimiento manual. Las máquinas de aplicación automatizada con cinta operan con un aplicador de cinta de productos preimpregnados (prepregs, en inglés) sobre un molde abierto siguiendo una trayectoria programada. La máquina típica consiste en una grúa transversal móvil a la cual se le ha acoplado una cabeza surtidora. La grúa permite que la cabeza recorra la superficie del molde en las direcciones x-y-z para tomar posiciones y seguir una trayectoria continua definida. La cabeza tiene varios ejes de rotación, más un dispositivo de corte para cortar la cinta al final de cada ruta. El ancho de la cinta de productos preimpregnados es comúnmente de 75 mm (3 pulg), aunque se han reportado anchos de 300 mm (12 pulg) [16]; el espesor es cercano a 0.13 mm (0.005 pulg). Los rollos colocados en la cabeza surten la cinta que se va adhiriendo a la superficie a lo largo de la ruta definida. Cada capa se forma por una serie de recorridos hacia adelante y hacia atrás, a través de la superficie del molde hasta completar la capa de filas paralelas. Gran parte del trabajo para perfeccionar las máquinas de aplicación automatizada de cinta la ha realizado la industria de la aviación, en su afán de ahorrar costos de mano de obra y lograr al mismo tiempo la más alta uniformidad y calidad posibles en la manufactura de sus componentes. La desventaja de ésta y de otras máquinas operadas por control numérico computarizado es que necesitan ser programadas, y la programación toma tiempo.

9.4.4 Curado Se requiere el curado (paso 4) para todas las resinas termofijas que se usan en los compósitos laminados de FRP. En el curado tiene lugar el encadenamiento transversal del polímero, que pasa de una condición líquida o altamente plástica a un producto endurecido. Hay tres parámetros principales en el proceso de curado: tiempo, temperatura y presión. En los procedimientos de aplicación manual y aspersión donde se usan resinas TS, el curado ocurre normalmente a temperatura ambiente. Las piezas moldeadas hechas por estos procesos generalmente son grandes y el calentamiento podría dificultarse. En algunos casos se requieren días antes de que se complete el curado a temperatura ambiente para retirar la pieza. Cuando es posible, se puede suministrar calor para acelerar la reacción de curado.

9.5  Procesos con molde cerrado   201

El calentamiento se realiza de varias maneras. El curado por horno suministra calor a temperaturas muy controladas; algunos hornos cuentan con equipos para aplicar un vacío parcial. El calentamiento con rayos infrarrojos se puede aplicar donde es impráctico o inconveniente poner la pieza moldeada en un horno. El curado en un autoclave provee control sobre la temperatura y la presión. Un autoclave es una cámara cerrada que está diseñada para aplicar calor y presión a niveles controlados. En el procesamiento de compósitos de FRP, usualmente es un cilindro grande horizontal con puertas en ambos extremos. Algunas veces se usa el término moldeo en autoclave para referirse al curado de un laminado con productos preimpregnados en autoclave. Este procedimiento se usa extensamente en la industria aeroespacial para producir componentes de compósitos avanzados de muy alta calidad.

9.5  Procesos con molde cerrado Estas operaciones de moldeo se realizan en moldes que consisten en dos secciones que se abren y cierran durante cada ciclo de moldeo. Se podría pensar que el costo de un molde cerrado es el doble de un molde abierto; sin embargo, el costo de las herramientas es aún más grande debido a que el equipo es más complejo en estos procesos. A pesar de su alto costo, las ventajas del molde cerrado son 1) buen acabado en todas las superficies de la pieza, 2) tasas más altas de producción, 3) mayor control sobre las tolerancias y 4) son posibles formas tridimensionales más complejas. Los procesos de molde cerrado se dividen en tres clases con base en sus equivalentes en el moldeo de plásticos convencional, a pesar de que la terminología puede diferir cuando se moldean compósitos en matriz polimérica: 1) moldeo por compresión, 2) moldeo por transferencia y 3) moldeo por inyección.

9.5.1  Procesos de moldeo por compresión para PMC En el moldeo por compresión de los compuestos de moldeo convencionales (sección 8.7.1) se coloca una carga en la sección inferior del molde y las dos secciones se cierran bajo presión, para que la carga tome la forma de la cavidad. Las dos mitades del molde se calientan para curar el polímero termofijo. Cuando la pieza moldeada se ha curado lo suficiente, se abre el molde y se retira la pieza. Hay varios procesos de formado para PMC basados en el moldeo por compresión; la forma de los materiales de partida es la diferencia principal. Los factores críticos durante el moldeo por compresión para compósitos de FRP son el flujo de la resina, las fibras y los otros ingredientes. Moldeo de SMC, TMC y BMC  Varios de los compuestos para moldeo de FRP, como son los compuestos para moldeo de láminas (SMC), los compuestos para moldeo volumétrico (BMC) y los compuestos para moldeo grueso (TMC) pueden cortarse al tamaño apropiado y usarse como carga de inicio en moldeo por compresión. Frecuentemente se requiere refrigeración para almacenar estos materiales antes de su procesamiento. Los nombres de los procesos de moldeo se basan en el compuesto de moldeo inicial (es decir, el moldeo de SMC se da cuando la carga inicial es un compuesto de moldeo en lámina precortada; el moldeo BMC usa como carga un compuesto para moldeo volumétrico cortado al tamaño, y así sucesivamente). Moldeo preformado  Otra forma de moldeo por compresión, llamada moldeo preformado [17],

implica la colocación de una estera precortada en la parte inferior de la sección del molde junto con una carga de resina de polímero [por ejemplo partículas (pellets) o lámina]. Los materiales se presionan entre las mitades calientes del molde, ocasionando que la resina fluya e impregne la fibra de la estera para producir un moldeado reforzado con fibras. Las variantes del proceso pueden usar polímeros termoplásticos o termofijos. Moldeo con depósito elástico  La carga inicial en el moldeo con depósito (o reserva) elástico (ERM) es un emparedado que consiste en un centro de espuma de polímero entre dos capas de

202  CAPÍTULO 9  Procesos para dar forma al hule y a los materiales compósitos de matriz polimérica (PMC)

fibra seca. El núcleo de espuma es comúnmente un poliuretano de celda abierta impregnada con resina líquida como un epóxico o poliéster, y las capas de fibra seca pueden ser tela, mecha tejida u otra forma de material fibroso. El emparedado se coloca en la sección inferior del molde y se prensa a presión moderada, alrededor de 0.7 MPa (100 lb/pulg2). Al comprimirse el núcleo, éste libera la resina para mojar la superficie seca de las capas. El curado produce una parte de peso ligero que consiste en un núcleo de baja densidad y revestimientos delgados de FRP.

9.5.2  Procesos de moldeo por transferencia para PMC En el moldeo convencional por transferencia (sección 8.7.2) se coloca una carga de resina termofija en un depósito o cámara, se calienta y se presiona por medio de un pistón o ariete dentro de una o más cavidades del molde. El molde se calienta para generar el curado de la resina. El proceso deriva su nombre de la transferencia del polímero fluido desde el depósito al molde. Se puede usar para moldear resinas TS cuyos rellenos incluyen fibras cortas para producir una parte de compósito con FRP. Otra forma de moldeo por transferencia para PMC se llama moldeo por transferencia de resina (RTM, Resin Transfer Molding) [7], [18]; se refiere a un proceso en molde cerrado en el cual se coloca una estera preformada en la parte inferior del molde, el molde se cierra, y la resina termofija (por ejemplo, una resina de poliéster) se transfiere dentro de la cavidad a presión moderada para impregnar el preformado. Como causa de confusiones, algunas veces al RTM se le conoce como moldeo por inyección de resina [7], [18] (no obstante, la distinción entre moldeo por transferencia y moldeo por inyección de cualquier manera es confusa, como ya el lector puede haberlo notado en el capítulo 8). El RTM ha sido utilizado para producir piezas como tinas de baño, carcazas de albercas, bancos, sillas y cascos para pequeños botes.

9.5.3  Procesos de moldeo por inyección para PMC El moldeo por inyección es notable por el bajo costo de producción de las piezas de plástico en grandes cantidades. Aunque se asocia más cercanamente con los termoplásticos, el proceso puede también adaptarse a los termofijos (sección 8.6.4). Moldeo por inyección convencional  En el proceso de formado de PMC se usa el moldeo por inyección para ambos tipos de FRP, los TP (termoplásticos) y los TS (termofijos). Prácticamente todos los polímeros termoplásticos pueden reforzarse con fibras. Se deben usar fibras cortadas; si se usaran fibras continuas, éstas podrían de cualquier manera reducir su longitud por la acción del tornillo en el cilindro. Durante la inyección de la cámara a la cavidad del molde, las fibras tienden a quedar alineadas al pasar a través de la boquilla. Los diseñadores pueden algunas veces explotar esta característica optimizando las propiedades direccionales a través del diseño de las piezas, la localización de las compuertas y la orientación de la cavidad respecto a la puerta [14]. Si bien los compuestos de moldeo TP se calientan y luego se inyectan en un molde frío, los polímeros TS se inyectan en un molde caliente para curarse. El control del proceso con los termofijos es complicado debido al riesgo del enlazamiento cruzado prematuro en la cámara de inyección. Sujeto al mismo riesgo, el moldeo por inyección puede aplicarse a plásticos TS reforzados con fibra en forma de compuestos para moldeo peletizado y en pasta. Moldeo por inyección con reacción reforzada  Algunos termofijos son curados por reacción química en lugar de calor; estas resinas se pueden moldear por inyección con reacción (RIM, Reaction Injection Molding). En el RIM se mezclan los dos ingredientes reactivos y se inyectan inmediatamente dentro de la cavidad de un molde donde son curados y ocurre rápidamente la solidificación de los componentes. Un proceso estrechamente relacionado incluye en la mezcla fibras de refuerzo, típicamente el vidrio. El proceso se llama, en este caso, moldeo por inyección con reacción reforzada (RRIM, Reinforced Reaction Molding). Sus ventajas son similares a las del RIM, con el beneficio adicional del refuerzo con fibra. El RRIM se usa extensamente en aplicaciones de carrocerías de autos y cabinas de camiones, como son parachoques, defensas y otras partes de la carrocería.

9.6  Bobinado de filamentos   203

Poleas Carro

Caja de transmisión

Mecha continua

FIGURA 9.12  Bobinado de filamentos. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

Baño de resina

Husillo giratorio

9.6  Bobinado de filamentos El bobinado de filamentos es un proceso en el cual se enrollan fibras continuas impregnadas con resina alrededor de un husillo giratorio, que tiene la forma interna del artículo de FRP que se quiere producir. La resina es curada después y el husillo se retira. Se producen componentes huecos de simetría axial (usualmente circular en sección transversal), así como formas irregulares. La forma más común del proceso se describe en la figura 9.12. Una banda de mecha de fibras se pasa a través de un baño de resina inmediatamente antes de ser enredada en forma helicoidal sobre un husillo cilíndrico. Continuando el patrón de bobinado se completa finalmente una capa superficial sobre el husillo de un filamento grueso. La operación se repite para formar capas adicionales, cada una de éstas con un patrón entrecruzado respecto a la anterior, hasta obtener el espesor adecuado. Hay varios métodos para impregnar las fibras con resina: 1) bobinado húmedo, en el cual el filamento pasa a través de la resina líquida solamente antes del bobinado, como en la figura; 2) bobinado con productos preimpregnados, (también llamado bobinado seco), en el cual los filamentos preimpregnados con resina parcialmente curada se enrollan alrededor de un husillo calentado, y 3) postimpregnación, en el cual los filamentos se enrollan en el husillo y luego se impregnan con resina por medio de una brocha o alguna otra técnica. Se usan dos patrones básicos de bobinado del filamento: a) helicoidal y b) polar (figura 9.13). En el bobinado helicoidal, la banda de filamentos se aplica en una forma espiral alrededor del husillo con un ángulo de hélice θ. Si la banda se bobina con un ángulo de hélice que se aproxima a los 90° de manera que el avance del bobinado es de un ancho de banda por revolución y los filamentos casi forman aros circulares alrededor del husillo o mandril, se denomina bobinado de aro; éste es un caso especial de bobinado helicoidal. En el bobinado polar, el filamento se enrolla alrededor del eje mayor del husillo, como en la figura 9.13b); después de cada revolución

θ

a)

b)

FIGURA 9.13  Dos patrones básicos de bobinado de filamentos. a) helicoidal y b) polar. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

204  CAPÍTULO 9  Procesos para dar forma al hule y a los materiales compósitos de matriz polimérica (PMC)

longitudinal, el husillo se corre (gira parcialmente) en un ancho de banda de manera que se va creando gradualmente una forma hueca. Los patrones polares y de aro se pueden combinar en bobinados sucesivos del husillo para producir capas adyacentes con direcciones del filamento aproximadamente perpendiculares; a esto se le llama bobinado biaxial [3]. Las máquinas de bobinado de filamentos tienen capacidades de movimiento semejantes a las de un torno tradicional (sección 16.2.3). La máquina típica tiene un motor que acciona el husillo o mandril y un mecanismo de alimentación de potencia que mueve el carro. Las máquinas de bobinado de filamentos disponen de diferentes tipos de control. El equipo moderno usa control numérico por computadora (CNC, sección 29.1), en el cual la rotación del husillo y la velocidad del carro se controlan independientemente para permitir mayores ajuste y flexibilidad de los movimientos relativos. El husillo o mandril es la herramienta especial que determina la geometría de la pieza bobinada con filamento. Para la remoción de piezas, el husillo debe ser capaz de plegarse después del bobinado y del curado de la pieza. Son posibles varios diseños del husillo, incluyendo husillos inflables, husillos metálicos plegables y husillos hechos de yeso o de sales solubles. Las aplicaciones del bobinado de filamentos se clasifican frecuentemente como aeroespaciales o comerciales [16], pero los requerimientos de ingeniería más exigentes son los de la primera categoría. Dentro de las aplicaciones aeroespaciales se incluyen las carcasas de motor de cohetes, cuerpos de proyectiles, aspas de helicópteros, secciones y estabilizadores de cola para aeroplanos. Estas piezas suelen estar hechas de resinas epóxicas reforzadas con fibras de carbono, boro, Kevlar y vidrio. Dentro de las aplicaciones comerciales se incluyen los tanques de almacenamiento, tubos reforzados y tubería, ejes motrices, álabes de turbinas de viento y barras pararrayos; éstas se fabrican de FRP convencionales. Los polímeros incluyen resinas de poliéster, epóxicas y fenólicas; la fibra común para refuerzo es la de vidrio.

9.7  Procesos de pultrusión El proceso básico de pultrusión se creó alrededor de 1950 para hacer cañas de pescar de polímero reforzado con fibra de vidrio (GFRP, Glass Fiber Reinforce Polymer). El proceso es similar a la extrusión (de aquí la similitud del nombre), pero implica la atracción de la pieza de trabajo (de aquí el prefijo inglés pul que se usa en lugar de ex). Como en la extrusión, la pultrusión produce secciones continuas, rectas de sección transversal constante. Se puede usar un proceso relacionado, llamado pulformado, para hacer piezas curvas, que además tengan variaciones en la sección recta a lo largo de la pieza.

9.7.1 Pultrusión La pultrusión es un proceso en el cual se sumerge en un baño de resina una mecha continua de fibras y después se tira de ellas a través de un dado formador donde es curada la resina impregnada. La disposición se esquematiza en la figura 9.14, que muestra cómo se corta el producto curado en grandes secciones rectas. Estas secciones quedan reforzadas con fibras continuas en toda su longitud. Como en la extrusión, las piezas tienen una sección transversal constante y un perfil determinado por la forma de la abertura del dado. El proceso consiste en cinco pasos (identificados en el esquema) que se ejecutan en una secuencia continua [3]: 1) alimentación de filamentos, las fibras se surten de una fileta (anaqueles con clavijas que sostienen bobinas de filamento); 2) impregnación con resina, las fibras se sumergen en la resina líquida no curada; 3) formado de un dado previo, en el cual se da gradualmente la forma aproximada de la sección transversal deseada a la colección de filamentos; 4) formado y curado, se tira de las fibras impregnadas a través del dado caliente cuya longitud es de 1 a 1.5 m (3 a 5 pies) y cuyas superficies internas están muy pulidas, y 5) estirado y cortado, en donde se usan rodillos tractores para extraer del dado la longitud curada, después de lo cual se corta mediante una rueda cortadora con granos de SiC o diamante. Las resinas comunes usadas en pultrusión son poliésteres insaturados, epóxicos y silicones. Todas estas resinas son polímeros

9.8  Otros procesos de formado para PMC  205

1) Dado previo de formado

Fileta

2)

Dado 3)

Baño de resina

Rodillos estiradores 4)

5)

Rueda cortadora

Sección FIGURA 9.14  Proceso de pultrusión (véase el texto para interpretar los números de la secuencia). (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

termofijos. El procesamiento de los polímeros epóxicos presenta dificultades debido a su adherencia en las superficies del dado. El vidrio es por mucho el material de refuerzo más ampliamente usado; sus proporciones fluctúan entre 30 y 70%. El módulo de elasticidad y la resistencia a la tensión se incrementan con el contenido de refuerzo. Los productos hechos por pultrusión incluyen varillas sólidas, tubería, tiras de lámina plana, perfiles estructurales (como canales, vigas anguladas y compuestas), manivelas de herramientas para trabajo con alto voltaje y cubiertas para el carril conductor de trenes subterráneos.

9.7.2 Pulformado Los procesos de pultrusión se limitan a secciones rectas de sección transversal constante. Hay también necesidad de piezas largas reforzadas con fibra continua, pero de forma más bien curva cuya sección transversal puede variar a través de su longitud. Para estas piezas menos regulares son apropiados los procesos de pulformado. El pulformado se puede definir como una pultrusión con pasos adicionales para formar un contorno semicircular y alterar la sección transversal en uno o más puntos a lo largo de su longitud. Un esquema del equipo se ilustra en la figura 9.15. Después de salir del dado formador, la pieza continua de trabajo se alimenta dentro de una mesa giratoria con moldes negativos colocados en su periferia. El trabajo se fuerza dentro de las cavidades de los moldes por medio de un dado de zapata que aprieta la sección transversal en varios puntos y forma la curvatura. El diámetro de la mesa determina el radio de la pieza. Conforme la pieza de trabajo sale de la mesa de dados, se corta a la longitud prevista para generar las piezas separadas. En el pulformado se utilizan también las resinas y fibras que se usan en la pultrusión. Una aplicación importante de este proceso es la producción de muelles de hoja para automóviles.

9.8  Otros procesos de formado para PMC Son dignos de mencionarse algunos procesos para dar forma a los PMC entre los que se incluyen el vaciado centrifugado, el laminado de tubos, el laminado continuo y el corte. Además, muchos de los procesos tradicionales para dar forma a los termoplásticos son aplicables a los FRP (de

206  CAPÍTULO 9  Procesos para dar forma al hule y a los materiales compósitos de matriz polimérica (PMC)

Dado formador FIGURA 9.15  Proceso de pulformado (el esquema no muestra la operación de corte de la pieza pulformada). (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

Mesa giratoria Pieza pulformada

Dado de zapata

Forma del molde

fibras cortas) basados en polímeros TP; éstos incluyen el moldeo por soplado, el termoformado y la extrusión. Vaciado centrifugado  Este proceso es ideal para productos cilíndricos como tubos y tanques. El proceso es el mismo que su contraparte en fundición metálica (sección 6.3.5). Pequeños trozos de fibras, combinados con resina líquida, se vacían en un molde cilíndrico que gira rápidamente. La fuerza centrífuga presiona los ingredientes contra la pared del molde donde tiene lugar el curado. La superficie interna que resulta es bastante lisa. La contracción de la pieza o el uso de moldes deslizantes o separados permiten la remoción de la pieza. Laminado de tubos  Los tubos de FRP se pueden fabricar a partir de láminas con productos

preimpregnados por una técnica de laminado [12], que se muestra en la figura 9.16. Dichos tubos se usan en cuadros de bicicletas y armaduras especiales. En el proceso, se envuelve alrededor de un husillo cilíndrico varias veces una lámina con productos preimpregnados precortada para obtener la pieza de un tubo de un espesor conformado de múltiples capas. La lámina enrollada se encierra en una camisa que se contrae al calentarse y es curada en un horno. Cuando la camisa se contrae, los gases atrapados los expulsa por los extremos del tubo. Cuando se completa el curado se retira el husillo para dejar un tubo laminado de FRP. La operación es simple y el costo de las herramientas es bajo. El proceso puede variar en cuanto a los diferentes métodos de envoltura y en el uso de moldes de acero para encerrar el rollo de productos preimpregnados y tener así un mejor control dimensional. Laminado continuo  En la construcción se usan paneles de plástico reforzado con fibra, algunas veces translúcidos y corrugados. Su producción involucra varios procesos: 1) impregnación de capas de esteras de fibra de vidrio o tela tejida por inmersión en resina líquida o pasándola

v Alimentación de hoja de preimpregnados

Husillo o mandril v a)

b)

FIGURA 9.16  Laminado de tubos que muestra a) un medio posible de envolver productos preimpregnados de FRP alrededor de un husillo o mandril, y b) el tubo terminado después del curado y de retirar el husillo. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

Preguntas de repaso   207

bajo un bisturí, 2) unión entre películas de cubierta (celofán, poliéster u otro polímero) y 3) compactación entre rodillos de presión y curado; 4) el corrugado se agrega por medio de rodillos de formado o zapatas de molde. Métodos de corte  Los compósitos laminados FRP se cortan ya sea en el estado curado o no curado. Los materiales no curados (productos preimpregnados, preformas, SMC y otras formas iniciales) se cortan al tamaño para aplicación de capas, moldeado, etc. Las herramientas tradicionales de corte incluyen navajas, tijeras, cizallas de potencia y cizallas manuales. También se usan métodos no tradicionales de corte, como corte por rayo láser y por chorro de agua (capítulo 19). Los FRP curados son duros, tenaces, abrasivos y difíciles de cortar. Pero en muchos de los procesos de formado de FRP es necesario cortarlos para eliminar el material en exceso, hacer orificios y perfiles y para otros propósitos. Las herramientas de corte de carburo cementado y sierras de acero de alta velocidad se deben usar para cortar plásticos reforzados con fibra de vidrio. En algunos compósitos avanzados (por ejemplo boro-epóxico) se obtienen mejores resultados con las herramientas de corte con diamante. Se usa también con buenos resultados el corte con chorro de agua en los FRP curados; este proceso reduce el polvo y los problemas de ruido asociados con los métodos convencionales de aserrado.

Referencias   [1] Alliger, G. y Sjothun, I. J. (eds.) Vulcanization of Elastomers. Krieger Publishing Company, Nueva York, 1978.  [2] ASM Handbook, vol. 21, Composites. ASM International, Materials Park, Ohio, 2001.   [3] Bader, M. G., Smith, W., Isham, A. B., Rolston, J. A. y Metzner, A. B. Delaware Composites Design Encyclopedia. Vol. 3, Processing and Fabrication Technology. Technomic Publishing Co., Inc., Lancaster, P., 1990.   [4] Billmeyer, Fred, W., Jr. Textbook of Polymer Science. 3a. ed. John Wiley & Sons, Nueva York, 1984.   [5] Blow, C. M. y Hepburn, C. Rubber Technology and Manufacture. 2a. ed. Butterworth-Heinemann, Londres, 1982.   [6] Bralla, J. G. (ed.) Design for Manufacturability Handbook. 2a. ed. McGraw-Hill Book Company, Nueva York, 1999.   [7] Charrier, J-M. Polymeric Materials and Processing. Oxford University Press, Nueva York, 1991.   [8] Chawla, K. K. Composite Materials: Science and Engineering. 3a. ed. Springer-Verlag, Nueva York, 2008.   [9] Coulter, J. P. “Resin Impregnation During the Manufacture of Composite Materials”, PhD Dissertation. University of Delaware, 1988. [10] Engineering Materials Handbook. Vol. 1, Composites, ASM International, Materials Park, Ohio, 1987. [11] Hofmann, W. Rubber Technology Handbook. Hanser-Gardner Publications, Cincinnati, Ohio, 1989.

[12] Mallick, P. K. Fiber-Reinforced Composites: Materials, Manufacturing and Design. 2a. ed. Marcel Dekker, Inc., Nueva York, 1993. [13] Mark, J. E. y Erman, B. (eds.), Science and Technology of Rubber, 3a. ed. Academic Press, Orlando, Florida, 2005. [14] McCrum, N. G., Buckley, C. P. y Bucknall, C. B. Principles of Polymer Engineering. Oxford University Press, Inc., Oxford, Reino Unido, 1988. [15] Morton-Jones, D. H. Polymer Processing. Chapman and Hall, Londres, Reino Unido, 1989. [16] Schwartz, M. M. Composite Materials Handbook. 2a. ed. McGraw-Hill Book Company, Nueva York, 1992. [17] Strong, A. B. Fundamentals of Composites Manufacturing: Materials, Methods and Applications. 2a. ed. Society of Manufacturing Engineers, Dearborn, Michigan, 2007. [18] Wick, C., Benedict, J. T. y Veilleux, R. F. (eds.). Tool and Manufacturing Engineers Handbook. 4a. ed., vol. II. Forming. Society of Manufacturing Engineers, Dearborn, Michigan, 1984. [19] Wick, C. y Veilleux, R. F. (eds.). Tool and Manufacturing Engineers Handbook. 4a. ed., vol. III. Materials, Finishing and Coating. Society of Manufacturing Engineers, Dearborn, Michigan, 1985.

Preguntas de repaso   9.1. ¿Cómo está organizada la industria del hule?   9.2. ¿Cuál es la secuencia de pasos de procesamiento que se requiere para producir bienes terminados de hule?   9.3. ¿Cuáles son algunos de los aditivos que se combinan con el hule durante la composición?

  9.4. Mencione las cuatro categorías básicas de procesos que se utilizan para dar forma al hule.   9.5. ¿Qué le hace la vulcanización al hule?   9.6. Mencione las tres estructuras básicas de neumáticos y señale brevemente las diferencias entre ellas.

208  CAPÍTULO 9  Procesos para dar forma al hule y a los materiales compósitos de matriz polimérica (PMC)

  9.7. ¿Cuáles son las tres etapas básicas de la manufactura de un neumático?   9.8. ¿Cuál es el propósito de los cordones de talón (cejas) de un neumático?   9.9. ¿Qué es un TPE? 9.10. ¿Cuáles son los polímeros usados más comúnmente en los polímeros reforzado con fibra? 9.11. ¿Cuál es la diferencia entre mecha e hilo? 9.12. ¿Qué es una estera en el contexto de los refuerzos de fibra? 9.13. ¿Por qué se considera que las partículas y las hojuelas son miembros de la misma clase de materiales de refuerzo? 9.14. ¿Qué es un compuesto para el moldeo de láminas (SMC)? 9.15. ¿En qué se diferencia un producto preimpregnado de un compuesto moldeado? 9.16. ¿Por qué los productos laminados de FRP hechos por el método de aspersión no son tan fuertes como los productos similares hechos por aplicación manual?

9.17. ¿Qué es un autoclave? 9.18. ¿Cuáles son algunas de las ventajas del procesamiento en molde cerrado para PMC en relación con el proceso del molde abierto? 9.19. Identifique algunas de las diferentes formas de compuestos de moldeo para los compósitos de matriz polimérica. 9.20. ¿Qué es el moldeo preformado? 9.21. Describa el moldeo por inyección con reacción reforzada (RRIM). 9.22. ¿Qué es el bobinado de filamentos? 9.23. Describa el proceso de pultrusión. 9.24. ¿En qué se diferencia el pulformado de la pultrusión? 9.25. ¿Cómo se cortan los FRP?

PARTE III

Procesamiento de partículas para metales y cerámicos

10

Metalurgia de polvos

CONTENIDO DEL CAPÍTULO 10.1

Producción de polvos metálicos 10.1.1 Atomización 10.1.2  Otros métodos de producción 10.2 Prensado convencional y sinterizado 10.2.1 Mezclado y mezclado combinado de polvos 10.2.2 Compactación 10.2.3 Sinterizado 10.2.4  Operaciones secundarias 10.3 Alternativas de prensado y técnicas de sinterizado 10.3.1  Prensado isostático 10.3.2  Moldeo por inyección de polvos

10.3.3  Laminado, extruido y forjado de polvos 10.3.4  Combinación de prensado y sinterizado 10.3.5  Sinterizado en fase líquida 10.4 Materiales y productos para metalurgia de polvos 10.5 Consideraciones de diseño en metalurgia de polvos Apéndice A10 Características de los polvos en ingeniería A10.1  Características geométricas A10.2  Otras características

En esta parte del libro se estudia el procesamiento de metales y cerámicos que se encuentran en la forma de polvos, partículas sólidas muy pequeñas. En el caso de los cerámicos tradicionales, los polvos son producidos mediante el triturado y la molienda de materiales que comúnmente se encuentran en la naturaleza, como los minerales de silicato (arcilla) y el cuarzo. En el caso de los metales y los nuevos materiales cerámicos (aquéllos basados principalmente en óxidos y carburos), los polvos se producen mediante una gran variedad de procesos industriales. En dos capítulos se cubrirán los procesos para la fabricación de polvos así como los métodos que se utilizan para dar forma a los productos a partir de dichos polvos: el capítulo 10 trata acerca de la metalurgia de polvos, mientras que el capítulo 11 estudia el procesamiento de cerámicos y cermets a nivel partícula. La metalurgia de polvos (PM, powder metallurgy) es una tecnología de procesamiento de metales en la que se producen piezas a partir de polvos metálicos. En la secuencia usual de producción de la PM, los polvos se comprimen para darles la forma deseada y luego se calientan para ocasionar la unión o el enlace entre partículas en una masa dura y rígida. La compresión, llamada prensado, se realiza en una máquina tipo prensa cuyas herramientas se diseñan específicamente para la pieza que se va a producir. Las herramientas, que consisten generalmente en un dado y uno o más punzones, pueden ser costosas y es por esto que la PM es más adecuada para niveles de pro-

210  CAPÍTULO 10  Metalurgia de polvos

ducción medianos o altos. El tratamiento térmico, llamado sinterizado, se realiza a una temperatura por debajo del punto de fusión del metal. Las consideraciones que hacen de la metalurgia de polvos un proceso importante desde el punto de vista comercial y tecnológico son las siguientes: • Las piezas de PM se pueden producir masivamente en forma neta (completa) o casi neta, eliminando o reduciendo la necesidad de un procesamiento de forma posterior. • Los procesos de la PM implican muy poco desperdicio de material, cerca de 97% de los polvos iniciales se convierten en producto. Esto se compara favorablemente con los procesos de fundición en los cuales los bebederos, sistemas de alimentación y mazarotas son material de desperdicio en cada ciclo de producción. • Debido a la naturaleza del material inicial en la PM, se pueden hacer piezas con un nivel específico de porosidad. Esta característica se presta a la producción de piezas de metal poroso, como cojinetes y engranes impregnados con aceite, así como filtros. • Ciertos metales que son difíciles de fabricar por otros métodos, se pueden formar por metalurgia de polvos. El tungsteno es un ejemplo: los filamentos de tungsteno que se usan en las lámparas incandescentes se fabrican con tecnología de PM. • Ciertas combinaciones de aleaciones metálicas y cermets que no se pueden producir por otros métodos se pueden hacer por PM. • La PM se compara favorablemente con la mayoría de los procesos de fundición en lo que se refiere al control dimensional de los productos. Las tolerancias rutinarias que se pueden lograr son de ±0.13 mm (±0.005 pulg). • Los métodos de producción de PM se pueden automatizar para hacer más económica la operación. Hay limitaciones y desventajas asociadas con el procesamiento de PM. Éstas incluyen: 1) alto costo del equipo y de las herramientas; 2) alto costo de los polvos metálicos; 3) dificultades en el almacenamiento y manejo de polvos metálicos (como degradación del metal a través del tiempo y riesgos de incendio del metal en polvo fino); 4) limitaciones en la forma de las piezas, debido a que los polvos metálicos no fluyen fácilmente en dirección lateral dentro del dado durante el prensado, y las tolerancias deben permitir que la pieza pueda expulsarse del dado después del prensado, y 5) las variaciones de la densidad del material a través de la pieza pueden ser un problema, especialmente para piezas de forma compleja. Aunque se pueden producir piezas grandes hasta de 22 kg (50 lb), la mayoría de los componentes hechos por PM son menores de 2.2 kg (5 lb). Una colección típica de estas piezas se muestra en la figura 10.1. Las aleaciones de hierro, acero y aluminio constituyen el mayor tonelaje de metales que se usan en la PM. Otros metales incluyen cobre, níquel y metales refractarios como el molibdeno y el tungsteno. Los carburos metálicos como el carburo de tungsteno se incluyen frecuentemente dentro del campo de la metalurgia de polvos; sin embargo, como estos materiales son cerámicos, se estudiarán en el capítulo siguiente. El éxito en la metalurgia de polvos depende en gran parte de las características de los polvos iniciales; este tema se analizará en el apéndice del presente capítulo. Al trabajar con cerámicos (con excepción del vidrio) los materiales de FIGURA 10.1  Una colección de piezas fabricadas mediante partida son también polvos, así que metalurgia de polvos (cortesía de Dorst America, Inc.). (Crédilos métodos para caracterizar los to: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & polvos cerámicos están estrechamente relacionados con la PM. Sons, Inc.)

10.1  Producción de polvos metálicos   211

10.1  Producción de polvos metálicos Para iniciar, debe señalarse que los productores de polvos metálicos no son las mismas compañías que hacen las piezas de PM. Los productores de polvo son los proveedores y las plantas que hacen los componentes a partir de polvos metálicos son los clientes. Los procesos usados por los proveedores se analizan en esta sección y los procesos que emplean los productores de piezas mediante PM se estudian en las secciones 10.2 a 10.3. Prácticamente cualquier metal puede reducirse a la forma de polvo. Hay tres métodos principales para producir comercialmente polvos metálicos, cada uno de los cuales implica consumo de energía para incrementar el área superficial del metal. Los métodos son: 1) atomización, 2) químico y 3) electrolítico [13]. Ocasionalmente se usan métodos mecánicos para reducir el tamaño de los polvos; sin embargo, estos métodos se asocian más comúnmente con la producción de polvos cerámicos y se tratarán en el capítulo siguiente.

10.1.1 Atomización Este método implica la conversión de un metal fundido en un rocío de pequeñas gotas que se solidifican en forma de polvos. Es el método más versátil y popular para producir polvos metálicos en la actualidad, y aplicable a casi todos los metales, aleaciones o metales puros. Hay muchas maneras de crear el rocío de metal fundido, varias de ellas se ilustran en la figura 10.2. Dos de los métodos se basan en la atomización con gas, en los que se utiliza una corriente de gas a alta velocidad (aire o gas inerte) para atomizar el metal líquido. En la figura 10.2c), el gas fluye a través de una boquilla de expansión y succiona el metal líquido de la fusión que se encuentra debajo, rociándolo en un recipiente. Las gotas se solidifican en forma de polvo. En un método parecido que se muestra en la figura 10.2b), el metal fundido fluye por gravedad a través de una boquilla y se atomiza inmediatamente por chorros de aire. Los polvos metálicos resultantes, los cuales tienden a ser esféricos, se recolectan en una cámara situada debajo. El método que se ilustra en la figura 10.2c) es similar a b), excepto que se utiliza una corriente de agua a alta velocidad en lugar de aire. Éste se conoce como atomizado por agua y es el más común de los métodos de atomizado, particularmente apropiado para metales que se funden por abajo de 1 600 °C (2 900 °F). El enfriamiento es más rápido y la forma del polvo resultante es más irregular que esférica. La desventaja de usar agua es la oxidación en la superficie de las partículas. Una reciente innovación usa aceite sintético en lugar de agua para reducir la oxidación. Tanto en el proceso de atomizado con aire como el de agua, el tamaño de las partículas se controla en gran parte por la velocidad de la corriente de fluido; el tamaño de partícula varía en relación inversa con la velocidad. Varios métodos se basan en el atomizado centrífugo. Una versión es el método de disco rotatorio, mostrado en la figura 10.2d), donde se vierte una corriente de metal líquido en un disco que gira rápidamente y que rocía el metal en todas direcciones pulverizándolo.

10.1.2  Otros métodos de producción Entre otros métodos de producción de polvos se incluyen varios procesos de reducción química, métodos de precipitación y electrólisis. La reducción química comprende una serie de reacciones químicas que reducen los compuestos metálicos a polvos metálicos elementales. Un proceso común consiste en la liberación de los metales de sus óxidos mediante el uso de agentes reductores como hidrógeno o monóxido de carbono. El agente reductor se produce para combinarlo con el oxígeno del compuesto y liberar el elemento metálico. Por este método se producen polvos de hierro, de tungsteno y de cobre. Otro proceso químico para polvos de hierro implica la descomposición del pentacarbonilo de hierro (Fe(Co)5) para producir partículas esféricas de alta pureza. Los polvos producidos por este método se ilustran en la fotomicrografía de la figura 10.3. Otros procesos químicos incluyen la

212  CAPÍTULO 10  Metalurgia de polvos

Metal fundido Cámara de recolección Boquilla

Rociado

Gas

Gas

Gas

Cámara de recolección

Sifón Metal fundido

Metal fundido

Polvos metálicos b)

a) Polvos metálicos FIGURA 10.2  Varios métodos de atomización para producir polvos metálicos: a) y b) dos métodos de atomización por gas; c) atomización con agua, y d) atomización centrífuga por el método de disco giratorio. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

Agua

Metal fundido

Agua Chorro de agua

Cámara de recolección

Agua

c)

Polvos metálicos

Polvos metálicos

Disco giratorio

Cámara de recolección d)

Flecha motriz

precipitación de elementos metálicos de sus sales disueltas en agua. Los polvos de cobre, níquel y cobalto se pueden producir por este método. En la electrólisis se prepara una celda electrolítica en la cual la fuente del metal a pulverizar es el ánodo. El ánodo se disuelve lentamente por la acción del voltaje aplicado, se mueve a través del electrólito y se deposita en el cátodo. El depósito se retira, se lava y se seca, obteniéndose un polvo metálico de alta pureza. Esta técnica se usa para obtener polvos de berilio, cobre, hierro, plata, tantalio y titanio.

FIGURA 10.3  Polvos de hierro producidos mediante atomizado por agua. Foto cortesía de T. F. Murphy y Hoeganaes Corporation.

10.2  Prensado convencional y sinterizado   213

10.2  Prensado convencional y sinterizado Después de la producción de polvos metálicos, la secuencia convencional de la metalurgia de polvos utilizada por los fabricantes de piezas consiste en tres pasos: 1) mezclado y mezclado combinado de los polvos; 2) compactación, en la cual se prensan los polvos para obtener la forma deseada, y 3) sinterizado, que implica calentamiento a una temperatura por debajo del punto de fusión para provocar la unión de las partículas en estado sólido y el fortalecimiento de la pieza. Estos tres pasos, algunas veces referidos como operaciones primarias de la metalurgia de polvos, se ilustran en la figura 10.4. En ocasiones también se ejecutan operaciones secundarias destinadas a mejorar la precisión dimensional, incrementar la densidad y para otros propósitos.

10.2.1  Mezclado y mezclado combinado de polvos Para lograr buenos resultados en la compactación y el sinterizado, los polvos metálicos necesitan homogeneizarse por completo antes del proceso. Los términos mezclado y mezclado combinado se usan en este contexto. El mezclado (blending, en inglés) se refiere a la mezcla de polvos de la misma composición química, pero posiblemente con diferentes tamaños de partícula. Los tamaños diferentes de partículas se revuelven frecuentemente para reducir la porosidad. El mezclado combinado (mixing, en inglés) se refiere a la unión de polvos de distinta composición química. Una ventaja de la tecnología de metalurgia de polvos es la oportunidad de generar una mezcla combinada con varios metales en aleaciones que sería difícil o imposible producir por otros medios. La diferencia entre mezclado y mezclado combinado no siempre es precisa en la práctica industrial. El mezclado y el mezclado combinado se realizan por medios mecánicos. Algunas alternativas se ilustran en la figura 10.5, éstas son: a) por rotación en tambor, b) por rotación en un recipiente de cono doble, c) por agitación en un mezclador (para mezclado combinado) de tornillo y d) por agitación en un mezclador (para mezclado combinado) de paletas. En estos dispositivos hay más ciencia de la que se puede sospechar. Los mejores resultados se obtienen cuando se llenan entre 20 y 40% de su capacidad. Los recipientes se diseñan generalmente con difusores (pantallas) internos u otras formas para impedir la caída libre durante el mezclado de polvos de diferentes tamaños, debido a que las variaciones en la velocidad de asentamiento de los distintos tamaños generan segregación, justamente lo opuesto a lo que es buscado en el mezclado. No es conveniente que los polvos se sometan a vibración, ya que esto también produce segregación.

a) FIGURA 10.4  Secuencia convencional de producción en metalurgia de polvos: 1) mezclado, 2) compactado y 3) sinterizado; en a) se muestra la condición de las partículas, mientras que en b) se muestran las operaciones y la pieza durante la secuencia. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

F Cono mezclador

Punzón superior Dado

b)

Punzón inferior F 1)

2)

3)

214  CAPÍTULO 10  Metalurgia de polvos

Paleta

Tornillo

a)

b)

c)

d)

FIGURA 10.5  Varios dispositivos de mezclado y mezclado combinado: a) tambor rotatorio, b) doble cono rotatorio, c) mezclador (para mezclado combinado) de tornillo y d) mezclador (para mezclado combinado) de paletas. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

Generalmente se añaden otros ingredientes a los polvos metálicos durante el paso de mezclado y/o mezclado combinado. Estos aditivos son: 1) lubricantes, como los estearatos de zinc y de aluminio en pequeñas cantidades para reducir la fricción entre las partículas y en las paredes del dado durante la compactación; 2) aglutinantes, que se requieren en algunos casos para lograr una resistencia adecuada en las piezas prensadas pero no sinterizadas, y 3) desfloculantes, que inhiben la aglomeración de los polvos para mejorar sus características de flujo durante el procesamiento subsecuente.

10.2.2 Compactación En la compactación se aplica alta presión a los polvos para darles la forma requerida. El método convencional de compactación es el prensado, en el cual punzones opuestos aprietan el polvo contenido en un dado. Los pasos en el ciclo de prensado se muestran en la figura 10.6. A la pieza de trabajo después de prensada se le llama compactado en verde, el término verde significa que la pieza no está completamente procesada. Como resultado del prensado, la densidad de la pieza, llamada densidad en verde, es mucho más grande que la densidad volumétrica inicial. La resistencia en verde de la pieza es adecuada para el manejo cuando es prensada, pero mucho menor que la que se logra después del sinterizado. La presión que se aplica en la compactación produce inicialmente un reempaquetamiento de los polvos en un arreglo más eficiente, eliminando los “puentes” que se forman durante el llenado, reduce el espacio de los poros e incrementa el número de puntos de contacto entre las partículas. Al incrementarse la presión, las partículas se deforman plásticamente, ocasionando que el área de contacto interparticular aumente y entren en contacto partículas adicionales. Esto viene acompañado de una reducción posterior del volumen de los poros. La progresión se ilustra en la figura 10.7 para partículas iniciales de forma esférica. También se muestra la densidad asociada, representada para las tres vistas como una función de la presión aplicada. Las prensas usadas en la compactación convencional en la metalurgia de polvos son mecánicas, hidráulicas o una combinación de las dos. En la figura 10.8 se muestra una unidad hidráulica de 450 kN (50 ton). Debido a diferencias en la complejidad de las piezas asociadas a los requerimientos de prensado, las prensas se pueden clasificar en 1) prensado en una dirección, con prensas de acción simple; o 2) prensado en dos direcciones, con prensas de varios tipos, incluyendo las de arietes hidráulicos opuestos, de doble acción o de múltiple acción. La tecnología de las prensas comúnmente disponibles puede suministrar hasta diez acciones de control separadas para producir piezas de forma bastante compleja. Se examinará la complejidad de las piezas y otros aspectos de diseño en la sección 10.5.

Section 10.2/Conventional Pressing and Sintering

221

10.2  Prensado convencional y sinterizado   215

FIGURE 10.6 Pressing, the conventional method of compacting metal powders in PM: (1) filling

v

the die cavity with powder, done by automatic FIGURA 10.6  Prensado, feed in production, el(2) método convencional de initial, and (3) final compactación polvos positions ofde upper metálicos en metalurgia de and lower punches polvos: 1) llenado de la during compaction, and cavidad del dado con pol(4) ejection ofautomático part. vos, por llenado (Credit: Fundamentals en la producción; 2) posiof Modern ción inicial; 3)Manufacturposición Edition byinfeMikell ing, 4thlos final de punzones rior y superior 2010. durante la P. Groover, compactación, y 4)permiseyecReprinted with ción pieza.Wiley (Crédito: siondeoflaJohn & Fundamentals of Modern Sons, Inc.)

v, F v, F

Polvos Alimentador v Dado

Punzón inferior

v

v, F

F

can be distinguished as (1) pressing from one direction, referred to as single-action 4) including opposed ram, 1) presses; or (2) pressing from two2)directions, any3)of several types double-action, and multiple action. Current available press technology can provide up to 10 separate action controls to produce parts of significant geometric complexity. We examine part complexity and other design issues in Section 10.5. La capacidad de una producción en PM se da generalmente en toneladas, kN The capacity of aprensa press para for PM production is generally given in tons or kN or oMN. o The MN.required La fuerzaforce requerida para el prensado del área proyectada la part pieza(area (áreain enthe el for pressing depends depende on the projected area of thede PM plano horizontal parafor una prensa vertical) multiplicadabypor presión necesaria para compactar horizontal plane a vertical press) multiplied thelapressure needed to compact the losgiven polvos del metal. Expresando estothis en forma de ecuación, metal powders. Reducing to equation form,

(10.1) (10.1)

F ¼ Ap pc

donde F = fuerza requerida, N (lb); Ap = área proyectada de la pieza, mm2 (pulg2), y pc = presión de compactación requerida para el material en polvo específico, MPa (lb/pulg2). Las presiones típicas de compactación fluctúan entre 70 MPa (10 000 lb/pulg2) para polvos de aluminio y 700 MPa (100 000 lb/pulg2) para polvos de hierro y acero.

Densidad real

100%

3) 2) Densidad

Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

Punzón superior

50%

1)

FIGURE 10.7 (a) Effect of applied pressure during compaction: (1) initial loose powders after filling, (2) repacking, and (3) deformation of particles; and (b) density of the 0% powders 2) of pressure.3)The sequence here 0 corresponds to steps 1, 2, and 1) as a function Edition by Mikell 3 in Figure 10.6. (Credit: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4thcompactación Presión de P. Groover, 2010. Reprinted with permission of John Wiley & Sons, Inc.) a) b) FIGURA 10.7  a) Efecto de la presión aplicada durante la compactación: 1) polvos sueltos iniciales después del llenado, 2) reempaquetamiento y 3) deformación de las partículas; y b) densidad de los polvos en función de la presión. La secuencia corresponde a los pasos 1, 2 y 3 de la figura 10.6. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

216  CAPÍTULO 10  Metalurgia de polvos

10.2.3 Sinterizado Después del prensado, el compactado en verde carece de fuerza y resistencia, se desmorona fácilmente al menor esfuerzo. El sinterizado es una operación de tratamiento térmico que se ejecuta sobre el compactado para unir sus partículas metálicas, incrementando de esta manera su fuerza y resistencia. El tratamiento se lleva a cabo generalmente a temperaturas entre 0.7 y 0.9 del punto de fusión del metal (en una escala absoluta). El término sinterizado en estado sólido o sinterizado en fase sólida se usa algunas veces para este sinterizado convencional debido a que el metal permanece sin fundir a la temperatura del tratamiento. En opinión de los investigadores, la fuerza básica que mueve al sinterizado es la reducción de la energía superficial [6], [16]. El compactado en verde consiste en muchas partículas distintas que tienen su propia superficie; por tanto, el área superficial total contenida en el compactado es muy alta. Bajo la influencia del calor, el área se reduce por la formación y crecimiento de uniones o contactos entre las partículas; esto implica la reducción de la energía superficial. Mientras más fino sea el polvo inicial, más alta será la superficie del área total y más grande la fuerza que mueve al proceso. La serie de dibujos en la figura 10.9 muestra en escala microscópica los FIGURA 10.8  Prensa hidráulica de 450 kN (50 cambios que ocurren durante el sinterizado de los polvos metálicos. El sinteton) para compactación de componentes de metarizado implica transporte de masa para crear los cuellos y transformarlos en lurgia de polvos. Foto cortesía de Dorst America, límites de grano. El principal mecanismo para que esto ocurra es la difusión; Inc. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacotro posible mecanismo es el flujo plástico. La contracción de la pieza voluturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimmétrica ocurre durante el sinterizado como resultado de la reducción del tapreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.) maño de los poros. Esto depende en gran medida de la densidad del compactado en verde, y ésta a su vez de la presión durante la compactación. Cuando las condiciones del procesamiento se controlan estrechamente, la contracción generalmente es predecible. Dado que las aplicaciones de la PM involucran generalmente producciones que van de medianas a altas, la mayoría de los hornos de sinterizado se diseñan con dispositivos mecanizados para el traslado de las piezas de trabajo durante el proceso. El tratamiento térmico consiste en tres pasos realizados en tres cámaras de hornos continuos: 1) precalentado, en el cual se queman los lubricantes y los aglutinantes, 2) sinterizado y 3) enfriado. El tratamiento se ilustra en la figura 10.10. Las temperaturas típicas y los tiempos de sinterizado se proporcionan en la tabla 10.1 para metales seleccionados.

Puntos de contacto

Poros

Cuellos

Límites de grano

Poro 1)

2)

3)

4)

FIGURA 10.9  Sinterizado a escala microscópica: 1) la unión de las partículas se inicia en los puntos de contacto, 2) los puntos de contacto crecen para convertirse en “cuellos”, 3) los poros entre las partículas reducen su tamaño y 4) se desarrollan límites de grano entre las partículas, en las regiones donde había cuellos. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

10.2  Prensado convencional y sinterizado   217

Temperatura del horno (línea continua)

Temperatura

Temperatura de la pieza (línea punteada)

Precalentamiento

Sinterizado

Enfriamiento

Tiempo a) FIGURA 10.10  a) Ciclo típico de tratamiento térmico durante el sinterizado y b) sección transversal esquemática de un horno continuo de sinterizado. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

Sinterizado Precalentamiento

Enfriamiento

Deflector o pantalla

Banda continua de transporte durante la operación

v

b)

En la práctica moderna del sinterizado se controla la atmósfera del horno. Los propósitos de la atmósfera controlada son: 1) proteger de la oxidación, 2) proporcionar una atmósfera reductora para remover los óxidos existentes, 3) suministrar una atmósfera carburante y 4) ayudar a la remoción de los lubricantes y aglutinantes que se usan en el prensado. Las atmósferas de los hornos de sinterizado comunes son: de gas inerte, basadas en nitrógeno, de amoniaco disociado, de hidrógeno y basadas en gas natural [6]. Las atmósferas al vacío se usan para ciertos metales como los aceros inoxidables y el tungsteno.

10.2.4  Operaciones secundarias Para completar la pieza, pueden requerirse operaciones secundarias de PM; éstas incluyen la densificación, el dimensionamiento, la impregnación, la infiltración, el tratamiento térmico y el acabado. Densificación y dimensionamiento  Numerosas operaciones secundarias pueden ejecutarse sobre la pieza prensada y sinterizada para aumentar la densidad y mejorar la precisión, o para lograr formas adicionales. El reprensado es una operación de prensado en la cual se aprieta la pieza en un

TABLA 10.1  Temperaturas y tiempos típicos de sinterizado para polvos de metales seleccionados Temperaturas de sinterizado Metal Acero inoxidable Bronce Cobre Hierro Latón Tungsteno Recopilada de [10] y [17].

°C

°F

Tiempo típico

1 200 820 850 1 100 850 2 300

2 200 1 500 1 600 2 000 1 600 4 200

45 min 15 min 25 min 30 min 25 min 480 min

218  CAPÍTULO 10  Metalurgia de polvos

dado cerrado para aumentar la densidad y mejorar las propiedades físicas. El dimensionamiento es la compresión de una pieza sinterizada para mejorar su precisión dimensional. El acuñado es una operación de prensado sobre una pieza sinterizada para imprimir detalles en su superficie. Algunas piezas sinterizadas requieren un maquinado posterior. Rara vez se utiliza el maquinado para dimensionar las piezas, más bien se usa para crear características geométricas que no se pueden lograr por prensado, como son cuerdas internas o externas, perforaciones laterales y otros detalles. Impregnación e infiltración  La porosidad es una característica única e inherente a la tecnología de metalurgia de polvos. Ésta se puede aprovechar para crear productos especiales, llenando el espacio disponible en los poros con aceite, polímeros o metales que tienen un punto de fusión más bajo que la base del metal en polvo. Impregnación es el término que se usa cuando se introduce aceite u otro fluido dentro de los poros de una pieza sinterizada. Los productos más comunes de este proceso son los cojinetes impregnados con aceite, los engranes y componentes similares de maquinaria. Los cojinetes autolubricados, fabricados usualmente de bronce o hierro con 10 a 30% de aceite en volumen, se usan ampliamente en la industria automotriz. Los tratamientos se realizan mediante inmersión de las piezas sinterizadas en un baño de aceite caliente. Una aplicación alterna de la impregnación involucra las piezas de la metalurgia de polvos que deben hacerse resistentes a la presión o impenetrables a los fluidos. En este caso, las piezas se impregnan con varios tipos de resinas de polímeros que ingresan en los espacios de los poros en forma líquida y luego se solidifican. En algunos casos, la impregnación de resina se utiliza para facilitar el procesamiento subsecuente, por ejemplo, para permitir el uso de soluciones de procesamiento (como los químicos para deposición) que de otra forma podrían empapar los poros y así degradar el producto, o para mejorar el maquinado de la pieza de la metalurgia de polvos. La infiltración es una operación en la cual se llenan los poros de las piezas de PM con un metal fundido. El punto de fusión del metal de relleno debe ser menor que el de la pieza. El proceso implica calentar el metal de relleno en contacto con el componente sinterizado de manera que la acción de capilaridad haga fluir al relleno dentro de los poros. La estructura resultante es relativamente no porosa y la pieza infiltrada tiene una densidad más uniforme, así como una tenacidad y una resistencia mejoradas. Una aplicación de este proceso es la infiltración con cobre de las piezas con PM de hierro sinterizado. Tratamiento térmico y acabado  Los componentes de polvos metálicos pueden tratarse térmi-

camente (capítulo 20) y terminarse (galvanoplastia o pintura, capítulo 21) por la mayoría de los mismos procesos que se usan en las piezas producidas por fundición y otros procesos de trabajo de metales. Debido a la porosidad de las piezas sinterizadas, se debe tener cuidado con algunos de estos tratamientos, por ejemplo, no deben usarse los baños de sales para calentar estas piezas. Se pueden aplicar a las piezas sinterizadas operaciones de deposición y recubrimiento con fines de apariencia y resistencia a la corrosión. Se debe tener cuidado para evitar que las soluciones químicas queden atrapadas en los poros; frecuentemente se usan la impregnación y la infiltración para este propósito. Las deposiciones comunes para piezas sinterizadas incluyen cobre, níquel, cromo, zinc y cadmio.

10.3  Alternativas de prensado y técnicas de sinterizado La secuencia convencional de prensado y sinterizado es la más utilizada en la tecnología de la metalurgia de polvos. Los métodos para procesamientos adicionales se analizan en esta sección.

10.3.1  Prensado isostático Una característica del prensado convencional es que la presión se aplica uniaxialmente. Esto impone limitaciones sobre la forma de la pieza, ya que los polvos metálicos no fluyen fácilmente

10.3  Alternativas de prensado y técnicas de sinterizado   219

Recipiente a presión Núcleo sólido (pasador) Fluido presurizado Molde de hule

Carga (polvos)

1)

2)

3)

FIGURA 10.11  Prensado isostático en frío: 1) se colocan los polvos en el molde flexible, 2) se aplica presión hidrostática sobre el molde para compactar los polvos y 3) se reduce la presión y se retira la pieza. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

en dirección perpendicular a la aplicación de la presión. El prensado uniaxial produce también variaciones de densidad en la compactación, después del prensado. En el prensado isostático, la presión se aplica en todas direcciones contra los polvos contenidos en el molde flexible; para lograr la compactación se usa la presión hidráulica. El prensado isostático puede hacerse de dos formas: 1) prensado isostático en frío y 2) prensado isostático en caliente. El prensado isostático en frío (CIP, cold isostatic pressing) es un compactado que se realiza a temperatura ambiente. El molde, hecho de hule u otro material elastómero, se sobredimensiona para compensar la contracción. Se usa agua o aceite para ejercer la presión hidrostática contra el molde dentro de la cámara. La figura 10.11 ilustra la secuencia del proceso en prensado isostático en frío. Las ventajas del CIP incluyen una densidad más uniforme, herramientas menos costosas y mayor aplicación a corridas cortas de producción. Es difícil lograr una buena precisión dimensional en el prensado isostático debido a la flexibilidad del molde. En consecuencia, se requieren operaciones de formado y acabado antes o después del sinterizado, para obtener las dimensiones requeridas. El prensado isostático en caliente (HIP, hot isostatic pressing) se lleva a cabo a alta presión y temperatura, usando como medio de compresión un gas que puede ser argón o helio. El molde que contiene los polvos se hace de lámina de metal para resistir altas temperaturas. El HIP realiza en un paso el prensado y la sinterización. A pesar de esta aparente ventaja, es un proceso relativamente costoso y sus aplicaciones parecen concentrarse actualmente en la industria aeroespacial. Las piezas de PM hechas por HIP se caracterizan por su alta densidad (porosidad cercana a cero), unión interparticular completa y buena resistencia mecánica.

10.3.2  Moldeo por inyección de polvos El moldeo por inyección se asocia estrechamente con la industria de los plásticos (sección 8.6). Se puede aplicar el mismo proceso básico para formar piezas de polvos metálicos o cerámicos, la diferencia es que el polímero inicial contiene una alta proporción de materia particulada, típicamente entre 50 y 85% en volumen. En metalurgia de polvos se usa el término moldeo por inyección metálica (MIM, metal injection molding). El proceso más general es el moldeo por inyección de polvos (PIM, powder injection molding), que incluye polvos metálicos y cerámicos. En el MIM, los pasos son los siguientes [7]: 1) los polvos metálicos se unen por un mezclado combinado con un aglutinante apropiado; 2) se forman partículas granulares con la mezcla combinada; 3) las partículas se calientan a la temperatura de moldeo, se inyectan en la cavidad de un molde

220  CAPÍTULO 10  Metalurgia de polvos

y la pieza se enfría y retira del molde; 4) se procesa la pieza para remover el aglutinante mediante varias técnicas térmicas o por solvente; 5) la pieza se sinteriza, y 6) se ejecutan las operaciones secundarias que se requieran. El aglutinante actúa como un portador de partículas en el moldeo por inyección de polvos. Sus funciones son aportar características apropiadas de flujo durante el moldeo y sostener los polvos en la forma moldeada hasta el sinterizado. Los cinco tipos básicos de aglutinantes en PIM son 1) los polímeros termofijos, como los fenólicos, 2) los polímeros termoplásticos, como el polietileno, 3) el agua, 4) los geles, 5) los materiales inorgánicos [7]. Los tipos que se usan con mayor frecuencia son los polímeros. El moldeo por inyección de polvos es apropiado para formar piezas similares a las del moldeo por inyección de plásticos. Su costo no es competitivo para piezas de simetría axial simple, ya que en estos casos es adecuado el método de prensado convencional y sinterizado. El PIM parece más económico para pequeñas piezas complejas de alto valor. La contracción que acompaña a la densificación durante el sinterizado limita la precisión dimensional.

10.3.3  Laminado, extruido y forjado de polvos La laminación, la extrusión y la forja son procesos volumétricos característicos del formado de metales (capítulo 13). Se describen en este contexto de la metalurgia de polvos. Laminación de polvos  Los polvos pueden comprimirse en una operación de laminado para formar material metálico en tiras. El proceso se dispone comúnmente para operar de manera continua o semicontinua, como se muestra en la figura 10.12. Los polvos metálicos se compactan entre dos rodillos para formar una tira en verde con que se alimenta directamente a un horno de sinterizado. Después se enfría, se lamina y se vuelve a sinterizar. Extrusión de polvos  La extrusión es un proceso básico de manufactura. En la extrusión de

polvos, el polvo inicial puede tener formas diferentes. En el método más popular, los polvos se colocan al vacío en una lata de lámina metálica hermética, se calientan y se extruyen junto con el recipiente. En otra variante, se preforman los tochos por un proceso de prensado convencional y sinterización, y después se extruyen en caliente. Estos métodos alcanzan un alto grado de densificación en los productos de PM. Forjado de polvos  La forja es un proceso importante en el formado de metal (sección 13.2). En

el forjado de polvos, la parte inicial es una pieza de metalurgia de polvos preformada mediante prensado y sinterizado al tamaño apropiado. Las ventajas de este método son: 1) la densificación de la pieza de PM; 2) el costo de las herramientas es más bajo y se requieren pocos “golpes” durante la forja (y por tanto mayor velocidad de producción), ya que la pieza inicial está preformada, y 3) poco desperdicio de material.

Alimentación (polvos) FIGURA 10.12  Laminado de polvos: 1) se introducen los polvos a través de los rodillos compactadores para formar una tira en verde, 2) sinterizado, 3) laminado en frío y 4) resinterizado. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

Rodillos compactadores Horno de sinterización

Molino laminador en frío

Horno de resinterizado Tira terminada

Tira en verde v 1)

v 2)

3)

4)

10.4  Materiales y productos para metalurgia de polvos   221

10.3.4  Combinación de prensado y sinterizado El prensado isostático caliente (sección 10.3.1) alcanza la compactación y el sinterizado en un solo paso. Otras técnicas que combinan los dos pasos son el prensado en caliente y el sinterizado por chispas. Prensado en caliente  La disposición de un proceso de prensado en caliente uniaxial es muy

similar al prensado de PM convencional, excepto que el calor se aplica durante la compactación. El producto resultante es generalmente duro, denso, resistente y bien dimensionado. A pesar de estas ventajas el proceso presenta ciertos problemas técnicos que limitan su adopción. Los principales problemas son: 1) la selección del material del molde que pueda soportar las altas temperaturas de sinterización, 2) los largos ciclos de producción que se requieren para realizar la sinterización y 3) el calentamiento y el mantenimiento de un control atmosférico en el proceso [2]. El prensado en caliente tiene algunas aplicaciones en la producción de productos sinterizados de carburo usando moldes de grafito. Sinterizado por chispas  Es una alternativa que combina el prensado y el sinterizado, pero que

supera algunos de los problemas del prensado en caliente. El proceso consiste en dos pasos básicos [2], [17]: 1) los polvos o un compactado en verde preformado se colocan en un dado, y 2) los punzones superior e inferior, que también sirven como electrodos, comprimen la pieza aplicando una corriente eléctrica de alta energía que al mismo tiempo quema los contaminantes de la superficie y sinteriza los polvos, y forma una pieza densa y sólida en cerca de 15 segundos. El proceso se ha aplicado a varios metales.

10.3.5  Sinterizado en fase líquida El sinterizado convencional (sección 10.2.3) es un sinterizado en estado sólido, en el cual el metal se sinteriza a una temperatura por debajo de su punto de fusión. En los sistemas que constan de una mezcla combinada de dos polvos metálicos, donde existe una diferencia de temperatura de fusión entre los metales, se usa un tipo alterno de sinterización, llamado sinterizado en fase líquida. En este proceso, los dos polvos son unidos mediante un mezclado combinado inicialmente y luego se calientan a una temperatura lo suficientemente alta para fundir el metal de más bajo punto de fusión, pero no el otro. El metal fundido moja perfectamente las partículas sólidas, creando una estructura densa con uniones fuertes entre los metales una vez solidificados. Un calentamiento prolongado puede generar la aleación de los metales por una disolución gradual de las partículas sólidas en el metal líquido o la difusión del metal líquido en el sólido, dependiendo de los metales involucrados. En cualquier caso, el producto resultante está completamente densificado (sin poros) y es fuerte. Ejemplos de sistemas que involucran sinterización en fase líquida son: Fe-Cu, W-Cu y Cu-Co [6].

10.4  Materiales y productos para metalurgia de polvos Las materias primas para el procesamiento en metalurgia de polvos son más costosas que para otros trabajos en metal, debido a la energía adicional requerida para reducir el metal a polvo. Por consiguiente, la metalurgia de polvos solamente es competitiva en ciertos tipos de aplicaciones. En esta sección se identificarán los materiales y productos que parecen más apropiados para la metalurgia de polvos. Materiales para la metalurgia de polvos  Desde un punto de vista químico, los polvos metáli-

cos se pueden clasificar en elementales y prealeados. Los polvos elementales consisten en un metal puro y se usan en aplicaciones donde la alta pureza es importante. Por ejemplo, el hierro puro puede usarse donde importan sus propiedades magnéticas. Los polvos elementales más comunes son de hierro, aluminio y cobre.

222  CAPÍTULO 10  Metalurgia de polvos

Los polvos elementales son unidos por mezclado combinado también con otros polvos metálicos para producir aleaciones especiales que son difíciles de formular por métodos convencionales. Los aceros herramienta son un ejemplo; la metalurgia de polvos permite el mezclado de ingredientes que son difíciles o imposibles por las técnicas tradicionales de aleación. El uso de mezclas combinadas de polvos elementales facilita el procesamiento para formar una aleación, aun cuando no involucre aleaciones especiales. Ya que los polvos son metales puros, no son tan resistentes como los metales prealeados. Por tanto, se deforman más fácilmente durante el prensado, así que la densidad y la resistencia en verde son más altas que los compactados prealeados. En los polvos prealeados, cada partícula es una aleación que tiene la composición química deseada. Los polvos prealeados se usan cuando la aleación no puede formularse mediante el mezclado combinado de polvos elementales; el acero inoxidable es un ejemplo importante. Los polvos prealeados más comunes son ciertas aleaciones de cobre, acero inoxidable y acero de alta velocidad. Los polvos elementales y prealeados de uso más común en orden aproximado de tonelaje son: 1) el hierro, con mucho el metal más usado en PM, unido por mezclado combinado frecuentemente con grafito para hacer piezas de acero; 2) el aluminio; 3) el cobre y sus aleaciones; 4) el níquel; 5) el acero inoxidable; 6) el acero de alta velocidad, y 7) otros materiales de metalurgia de polvos como el tungsteno, el molibdeno, el titanio, el estaño y los metales preciosos. Productos de la metalurgia de polvos  Una ventaja sustancial de la tecnología de polvos es

que las piezas se hacen en forma neta o casi neta; requieren poco o ningún formado adicional después de procesarse en metalurgia de polvos. Algunos de los componentes comúnmente fabricados mediante metalurgia de polvos son engranes, cojinetes, piñones, sujetadores, contactos eléctricos, herramientas de corte y varias piezas de maquinaria. La producción en grandes cantidades de engranes y cojinetes se adapta particularmente bien a la metalurgia de polvos por dos razones: 1) tienen una forma definida principalmente en dos dimensiones (la superficie superior tiene cierta forma y hay pocas o ninguna forma lateral) y 2) se necesita porosidad en el material para servir como depósito de lubricantes. Mediante la metalurgia de polvos también se pueden hacer piezas más complejas con forma tridimensional, añadiendo operaciones secundarias como maquinado para completar la forma de las piezas prensadas y sinterizadas y observando ciertos lineamientos de diseño, como los que se reseñan en la siguiente sección.

10.5  Consideraciones de diseño en metalurgia de polvos El uso de técnicas de la metalurgia de polvos es generalmente apropiado para cierta clase de situaciones de producción y diseño de piezas. En esta sección se intenta definir las características de estas aplicaciones donde la metalurgia de polvos es más apropiada. Se presenta primero un sistema de clasificación para piezas de metalurgia de polvos, y luego se ofrecen algunos lineamientos sobre el diseño de los componentes. La Metal Powder Industries Federation (MPIF) define cuatro clases de diseño de piezas de metalurgia de polvos, atendiendo al nivel de dificultad en el prensado convencional. El sistema es útil porque indica alguna de las limitaciones que deben hacerse en las formas cuando se usan los procesamientos convencionales de metalurgia de polvos. Las cuatro clases de piezas se ilustran en la figura 10.13. El sistema de clasificación de la MPIF suministra algunos lineamientos aplicables a la forma de las piezas, apropiada a las técnicas de prensado convencional en metalurgia de polvos. En los siguientes lineamientos se ofrecen sugerencias de diseño adicionales, recopiladas de [3], [13] y [17]. • La economía de los procesamientos mediante metalurgia de polvos usualmente requiere grandes cantidades de piezas para justificar el costo del equipo y las herramientas especiales necesarias. Se sugieren cantidades mínimas de 10 000 unidades [17], aun cuando hay excepciones. • La capacidad de fabricar piezas con un nivel controlado de porosidad es una característica única de la metalurgia de polvos. Son posibles porosidades hasta de 50%.

10.5  Consideraciones de diseño en metalurgia de polvos   223

Dirección del prensado

F

a)

Dirección del prensado

F

F

F

c)

b)

d)

FIGURA 10.13  Cuatro clases de piezas en metalurgia de polvos (vista lateral, la sección transversal es circular): a) clase I, formas delgadas simples que se pueden presionar (compactar) en una dirección; b) clase II, formas simples, pero más gruesas que requieren presión en dos direcciones; c) clase III, dos niveles de espesor presionados en dos direcciones, y d) clase IV, múltiples niveles de espesor presionados en dos direcciones, con controles separados para cada nivel a fin de lograr una densificación apropiada a través de la compactación. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

• La metalurgia de polvos se puede usar para hacer piezas de metales y aleaciones inusuales, materiales que podrían ser difíciles o hasta imposibles de producir por otros medios. • La geometría de la pieza debe permitir su remoción del dado después del prensado; esto significa en términos generales que la pieza debe tener lados verticales o casi verticales, aunque se pueden hacer escalonados como sugiere el sistema de clasificación de la MPIF (figura 10.13). Deben evitarse características de diseño como muescas (socavados) y perforaciones laterales como las que se muestran en la figura 10.14. Son permisibles las muescas (socavados) y perforaciones verticales, como las de la figura 10.15, porque no interfieren con la remoción. Las perforaciones verticales pueden hacerse de sección transversal no redonda (por ejemplo, cuadradas o estriadas) sin aumentar significativamente las herramientas o las dificultades de procesamiento. • Las cuerdas de un tornillo no se pueden fabricar en metalurgia de polvos; si se necesitan, deben maquinarse en el componente tratado por PM después del sinterizado. • Los chaflanes y esquinas redondeadas son posibles en el prensado de metalurgia de polvos, como se muestra en la figura 10.16. Cuando los ángulos son muy agudos se encuentran problemas con la rigidez de los punzones. • El espesor de la pared debe tener un mínimo de 1.5 mm (0.060 pulg) entre dos perforaciones o entre una perforación y la pared exterior de la pieza, como se indica en la figura 10.17. El diámetro mínimo recomendado de la perforación es de 1.5 mm (0.060 pulg).

Dirección de prensado

F FIGURA 10.14  Formas de las piezas que deben evitarse en metalurgia de polvos, a) perforaciones laterales y b) muescas (socavados) laterales. La remoción de la pieza es imposible. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

F

Muesca (socavado)

Perforación lateral

a)

b)

224  CAPÍTULO 10  Metalurgia de polvos

Dirección del prensado

F

Perforación ciega Perforación abierta

F

F

Perforación abocardada (escalonada)

Muesca

a)

c)

b)

FIGURA 10.15  Formas permisibles de las piezas en metalurgia de polvos: a) perforaciones (agujeros) verticales ciegas y abiertas, b) perforaciones verticales abocardadas (escalonadas) y c) muescas (socavados) en dirección vertical. Estas formas permiten la remoción de la pieza. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

F

Dirección de prensado

Ángulo agudo

Dirección de prensado

F F Radio de la esquina exterior

45° mínimo Radio interior

No recomendado a)

F

F

Preferible

Recomendable

b)

c)

45° Radio

No recomendado d)

Preferible e)

FIGURA 10.16  Se pueden lograr chaflanes y esquinas redondeadas, pero deben observarse ciertas reglas: a) evitar ángulos agudos del chaflán, b) son preferibles ángulos mayores para la rigidez del punzonado, c) son deseables los radios interiores pequeños, d) los radios completos en las esquinas exteriores son difíciles porque el punzonado es frágil en los bordes de las esquinas, e) los problemas en las esquinas exteriores pueden solucionarse combinando radios y chaflanes. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

Vista superior FIGURA 10.17  El espesor mínimo de pared recomendado a) entre perforaciones o b) entre una perforación y la pared exterior debe ser 1.5 mm (0.060 pulg). (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

Espesor mínimo de pared Vista de la sección transversal a)

b)

Preguntas de repaso   225

Referencias  [1] ASM Handbook, vol. 7, Powder Metal Technologies and Applications. ASM International, Materials Park, Ohio, 1998.   [2] Amstead, B. H., Ostwald, P. F. y Begeman, M. L., Manufacturing Processes, 8a. ed., John Wiley & Sons, Inc., Nueva York, 1987.   [3] Bralla, J. G. (ed.). Design for Manufacturability Handbook, 2a. ed. McGraw-Hill Book Company, Nueva York, 1998.   [4] Bulger, M. “Metal Injection Molding”, Advanced Materials & Processes, marzo de 2005, pp. 39-40.   [5] Dixon, R. H. T. y Clayton, A. Powder Metallurgy for Engineers. The Machinery Publishing Co. Ltd., Brighton, Reino Unido, 1971.  [6] German, R. M. Powder Metallurgy Science, 2a. ed. Metal Powder Industries Federation, Princeton, Nueva Jersey, 1994.   [7] German, R. M. Powder Injection Molding. Metal Powder Industries Federation, Princeton, Nueva Jersey, 1990.   [8] German R. M. A-Z Powder Metallurgy. Elsevier Science, Ámsterdam, Holanda, 2006.   [9] Johnson, P. K. “P/M Industry Trends in 2005”, Advanced Materials & Processes, marzo de 2005, pp. 25-28.

[10] Metals Handbook, 9a. ed., vol. 7. Powder Metallurgy. American Society for Metals, Materials Park, Ohio, 1984. [11] Pease, L. F. “A Quick Tour of Powder Metallurgy”, Advanced Materials & Processes, marzo de 2005, pp. 36-38. [12] Pease, L. F. y West, W. G. Fundamentals of Powder Metallurgy. Metal Powder Industries Federation, Princeton, Nueva Jersey, 2002. [13] Powder Metallurgy Design Handbook. Metal Powder Industries Federation, Princeton, Nueva Jersey, 1989. [14] Schey, J. A. Introduction to Manufacturing Processes. 3a. ed. McGraw-Hill Book Company, Nueva York, 1999. [15] Smythe, J. “Superalloy Powders: An Amazing History”, Advanced Materials & Processes, noviembre de 2008, pp. 5255. [16] Waldron, M. B. y Daniell, B. L. Sintering. Heyden, Londres, Reino Unido, 1978. [17] Wick, C., Benedict, J. T. y Veilleux, R. F. (eds). Tools and Manufacturing Engineers Handbook, 4a. ed., vol. II, Forming. Society of Manufacturing Engineers. Dearborn, Michigan, 1984.

Preguntas de repaso   10.1. Mencione algunas razones que explican la importancia comercial de la metalurgia de polvos.   10.2. ¿Cuáles son algunas desventajas de los métodos de metalurgia de polvos?   10.3. ¿Cuáles son los principales métodos para producir polvos metálicos?   10.4. ¿Cuáles son los tres pasos básicos de los procesos convencionales para dar forma en la metalurgia de polvos?   10.5. ¿Cuál es la diferencia técnica entre el mezclado (blending) y el mezclado combinado (mixing) en la metalurgia de polvos?   10.6. ¿Cuáles son algunos de los ingredientes que se añaden usualmente a los polvos metálicos durante el mezclado y/o el mezclado combinado?   10.7. ¿Qué se entiende por el término compactado en verde?

  10.8. Describa lo que les pasa a las partículas individuales durante la compactación.   10.9. ¿Cuáles son los tres pasos en el ciclo de sinterizado en metalurgia de polvos? 10.10. ¿Cuáles son algunas razones por las que conviene usar hornos con atmósfera controlada en el sinterizado? 10.11. ¿Cuál es la diferencia entre la impregnación y la infiltración en la metalurgia de polvos? 10.12. ¿Cómo se distingue el prensado isostático del prensado convencional y sinterizado en la metalurgia de polvos? 10.13. Describa el sinterizado en fase líquida. 10.14. ¿Cuáles son las dos clases básicas de polvos metálicos desde el punto de vista químico? 10.15. ¿Por qué la metalurgia de polvos es muy apropiada para la producción de engranes y cojinetes?

226  CAPÍTULO 10  Metalurgia de polvos

Problemas   10.3. La pieza que se muestra en la figura P10.3 se va a prensar a partir de polvos de hierro, usando una presión de compactación de 75 000 lb/pulg2. Las dimensiones están en pulg. Determine a) la dirección más apropiada del prensado, b) el tonelaje requerido de la prensa para desempeñar esta operación y c) el peso final de la pieza si la porosidad es de 10%. Suponga que no es necesario considerar la contracción durante el sinterizado.   10.4. Indique a qué clase de piezas de metalurgia de polvos pertenece cada uno de los cuatro dibujos que aparecen en la figura P10.4; indique también si la pieza debe ser prensada en una o dos direcciones y cuántos niveles de control de prensa se requerirán. Las dimensiones están en milímetros.

  10.1. En cierta operación de prensado los polvos metálicos que se le introducen a un molde abierto tienen un factor de empaquetamiento de 0.5. La operación de prensado reduce el polvo a dos terceras partes de su volumen inicial. En la operación de sinterizado posterior, la contracción asciende a 10% sobre base volumétrica. Dado que éstos son los únicos factores que afectan la estructura de la pieza terminada, determine su porosidad final.   10.2. Se va a prensar un cojinete de forma simple a partir de polvos de bronce usando una presión de compactación de 207 MPa. El diámetro exterior es de 44 mm, el diámetro interior de 22 mm y la longitud del cojinete es de 25 mm. ¿Cuál es el tonelaje requerido de la prensa para desempeñar esta operación?

2.800 1.500 1.250

0.500 0.875

FIGURA P10.3  Pieza para el problema 10.3 (dimensiones en pulgadas). (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

+

+ +

56.0

+ 38.0

62.5 12.5

38.0

a)

12.5 12.5

45.0 0.875

47.5 b)

22.0

56.0 12.5 12.5 12.5

100

11.0 40.5 c)

40.5 d)

FIGURA P10.4  Piezas para el problema 10.4 (dimensiones en mm). (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

APÉNDICE A10:

APPENDIX A10: Características de los polvos CHARACTERIZATION OF en ingeniería ENGINEERING POWDERS

Un polvo es un sólido dividido en partículas finas. En esta sección se presentan las características de los polvos metálicos. Sin embargo, la revisión se aplica también a la mayoría de los polvos A powder can be defined as a finely divided particulate solid. In this appendix we cerámicos. characterize metallic powders. Most of our discussion applies to ceramic powders as well.

A10.1  geométricas A10.1 Características GEOMETRIC FEATURES La forma de los polvos individuales se puede definir mediante los siguientes atributos: 1) tamaño The geometry of the individual powders can be defined by the following attributes: (1) particle de las partículas y su distribución, 2) forma y estructura interna de las partículas y 3) área supersize and distribution, (2) particle shape and internal structure, and (3) surface area. ficial. Tamaño deSize las partículas y su distribución  tamaño deto lasthe partículas se refiere a lasindividdimenParticle and Distribution ParticleEl size refers dimensions of the siones de los polvos individuales. Si la forma de la partícula es esférica, una sola dimensiónFor es ual powders. If the particle shape is spherical, a single dimension is adequate. adecuada. Para otras se necesitan dos are o más dimensiones. Se methods dispone deare varios métodos other shapes, twoformas or more dimensions needed. Various available to para obtener datos sobre tamaño las partículas. método uses más común usaofcribas de diferenobtain particle size el data. Thedemost commonElmethod screens different mesh tessizes. tamaños malla. Se usa el término para referirse al número aberturas Thedeterm mesh count is usednúmero to referde tomalla the number of openings perdelinear inch porofpulgada de lamesh criba. count Un número alto indica un menor tamaño partícula. Un númescreen.lineal Higher indicates smaller particle size.deAla mesh count of 200 ro means de mallathere de 200 significa que hay 200 por pulgada lineal. Como la malla es are 200 openings peraberturas linear inch. Since the mesh is square, thecuadrada, count is la the cuenta es la misma en ambas direcciones, y el número total de aberturas por pulgada cuadrada same in both directions, and the total number of openings per square inch is 2002 2 = 40 000. es ¼ 200 40,000. Las Particles partículas are se separan través dea una serie cribas of de progressively tamaños prosorted haciéndolas by passing pasar them athrough series ofde screens gresivamente menores de malla. Los polvos se colocan sobre una criba de un cierto de smaller mesh size. The powders are placed on a screen of a certain mesh número count and malla y ésta se hace vibrar para que las partículas pequeñas que caben en las aberturas caigan a vibrated so that particles small enough to fit through the openings pass through to the la next siguiente criba. La segunda criba se vacía en la tercera y así sucesivamente, de manera que las screen below. The second screen empties into a third, and so forth, so that partículas se seleccionen de according acuerdo contosusize. tamaño. Se puede designar un cierto de the particles are sorted A certain powder sizeamight be tamaño called size polvo 230 por 200, lo cual indica que los polvos han pasado por la malla 200, pero no por la 230. 230 through 200, indicating that the powders have passed through the 200 mesh, but not Para simplificar la the especificación, se dice que we el tamaño la partícula de 200. size El procedimien230. To make specification easier, simplydesay that theesparticle is 200. The to procedure para seleccionar los polvos por su tamaño se llama clasificación. of separating the powders by size is called classification. Las The aberturas en la in criba menores que than el recíproco del número de malla al espesor openings theson screen are less the reciprocal of the mesh debido count because of delthe alambre en la criba, como se ilustra en la figura A10.1. Suponiendo que la dimensión thickness of the wire in the screen, as illustrated in Figure A10.1. Assuming limitanthat the te limiting de la partícula es igual la abertura criba,tosethe tiene dimension ofathe particledeislaequal screen opening, we have



PS ¼

1 (A10.1) � tw (A10.1) MC

where PS ¼ particle size, in; MC ¼ mesh count, openings per linear inch; and tw ¼ donde PS = tamaño de partícula, pulg; MC = número de malla, aberturas por pulgada lineal, y wire thickness of screen mesh, in. The figure shows how smaller particles would pass tw = grueso del alambre de la malla, pulg. La figura muestra cómo pasarían las partículas pequethrough the openings, while larger powders would not. Variations occur in the ñas a través de las aberturas, mientras que las grandes se quedarían retenidas. Las variaciones que powder sizes sorted by screening due to differences in particle shapes, the range of ocurren en la selección de tamaños de partículas mediante cribado se deben a las diferencias en sizes between mesh count steps, and variations in screen openings within a given la forma de las partículas, al rango de tamaños entre los números sucesivos de malla y a las vamesh count. Also, the screening method has a practical upper limit of MC ¼ 400 riaciones de tamaños de las aberturas dentro de un número dado de malla. Además, el método de (approximately), due to the difficulty in making such fine screens and because of cribado tiene un límite práctico superior de MC = 400 (aproximadamente) debido a la dificultad agglomeration of the small powders. Other methods to measure particle size include para hacer mallas tan finas y a la aglomeración de los polvos tan finos. Otros métodos para medir microscopy and X-ray techniques. el tamaño de las partículas consideran microscopia y técnicas de rayos X. 234

C10 C10

08/16/2011 08/16/2011

19:17:28 19:17:28

Page 235 Page 235

228  CAPÍTULO 10  Metalurgia de polvos

FIGURE A10.1

Screen

FIGURA A10.1  de mesh forA10.1 sortingMalla particle FIGURE Screen criba para seleccionar tamasizes. (Credit: mesh for sorting particle ños de partícula. Fundamentals of Modern sizes. (Credit: (Crédito: th Fundamentals of Modern Manufacturing, Fundamentals of4Modern th de Manufacturing, 4a. ed., Edition by Mikell4 P. Manufacturing, Mikell P. Groover, 2010. Groover, Edition by2010. MikellReprinted P. Reimpreso con autorización with permission of Groover, 2010. Reprinted de John Wiley & Sons, Inc.)

Section A10.1/Geometric Features Section A10.1/Geometric Features

Tamaño de partícula que no pasa a través de la malla

Tamaño de partícula que sí pasa a través de la malla

tw

Johnpermission Wiley & Sons, with of Inc.) John Wiley & Sons, Inc.)

FIGURE A10.2 Several of the possible FIGURE A10.2 (ideal) Several FIGURA A10.2  Varias particle shapes(ideal) in of the possible formas posibles (ideales) de powder metallurgy. particle shapes in partícula metalurgia de of (Credit: en Fundamentals powder metallurgy. polvos. (Crédito: Funda- of Modern Manufacturing, (Credit: Fundamentals th mentals of Modern Manu4 Edition by Mikell P. Modern Manufacturing, facturing, 4a. ed., de Mikell th Reprinted 4Groover, Edition2010. by Mikell P. P. Groover, 2010. Reimprewith permission of Groover, 2010. Reprinted so con autorización de John Johnpermission Wiley & Sons, Inc.) with of Wiley & Sons, Inc.) John Wiley & Sons, Inc.)

Esférica

Acicular

235 235

PS

Redondeada

Hojuela

1 MC

Esponjosa

Cilíndrica

Cúbica

Agregada

Typical particle sizes used in conventional powder metallurgy (press and sinter) 1 The high end of thissinter) range range between 25 and 300 mmin(0.001 0.012 in). LosTypical tamaños típicos desizes las partículas que seand utilizan en la metalurgia de polvos convencional particle used conventional powder metallurgy (press and 1 1 range corresponds to a25mesh count of25around 65. The endThe of the isoftoo to (presión ybetween sinterizado) varían entre y 300 µand m (0.001 yin). 0.012 pulg). Enend el extremo alto de high thissmall range range and 300 mm (0.001 0.012low berango measured count method. este corresponde amesh uncount número malla de otro extremo es muy corresponds tobya the mesh of de around 65.aproximadamente The low end of 65. theElrange is too small to pequeño para poderse el método de número de malla. be measured by themedir meshmediante count method. Particle Shape and Internal Structure Metal powder shapes can be cataloged into Forma y estructura interna de las partículas  La forma de los polvos metálicos puede catalovarious types, of which Structure are illustrated in Figure A10.2. There a variation in Particle Shapeseveral and Internal Metal powder shapes canwill bebe cataloged into garse en varios tipos, algunos de ellos se ilustran en la figura A10.2. Existen variaciones tanto en the particle shapes in of a collection powders,injust as the particle sizewill willbevary. A simple various types, several which are of illustrated Figure A10.2. There a variation in la forma de las partículas de una colección de polvos como en sus tamaños. Una forma simple y andparticle useful measure shape is the aspect ratio—the of maximum dimension to the shapes inof a collection of powders, just as theratio particle size will vary. A simple útil de medir la forma es la razón del aspecto: la relación de la dimensión máxima y la mínima de minimum dimension forshape a given particle. The aspect ratio for amaximum spherical particle is 1.0, and useful measure of is the aspect ratio—the ratio of dimension to una partícula dada. La razón del aspecto para una partícula esférica es 1.0; sin embargo, para un but for an dimension acicular grain ratioparticle. might beThe 2 toaspect 4. Microscopic are required to minimum for2the aagiven ratio for techniques apara spherical particle is 1.0, grano acicular puede ser de 4. Se requieren técnicas microscópicas determinar las caracdetermine shape characteristics. but for an acicular grain the ratio might be 2 to 4. Microscopic techniques are required to terísticas de la forma. Any volumecharacteristics. of loose powders will contain pores between the particles. These are determine Cualquiershape volumen de polvos sueltos contendrá poros entre las partículas. Éstos se llaman called open pores because they to the individual particles. Open pores are Any volume of loose powders will contain pores between the abiertos particles. are poros abiertos, porque son externos aare las external partículas individuales. Los poros sonThese espacios spaces into which a fluid such as water, oil, or a molten metal, can penetrate. In addition, called open pores because they are external to the individual particles. Open pores are dentro de los cuales puede penetrar un fluido como agua, aceite o un metal fundido. Además hay there are voids the structure of an particle. The spaces intoclosed which apores—internal fluid suchinternos as water, or a molten metal, canindividual penetrate. In poros cerrados, que son huecos en oil, lain estructura de una partícula individual. Laaddition, existenexistence of these internal pores is usually minimal, and their effect when they do exist there are closed pores—internal voids in the structure of an individual particle. The cia de estos poros internos generalmente es mínima, y sus efectos, cuando existen, son menores;is minor, but can influence density as weverá shall see later. ofthey theseinfluir internal pores is usually their effect when they do exist is noexistence obstante pueden en las medidas demeasurements, la minimal, densidad, and como se posteriormente. minor, but they can influence density measurements, as we shall see later. Área superficial  forma de la partícula una esfera perfecta, su área y Surface Area Suponiendo Assuming que thatlathe particle shape is sea a perfect sphere, its area A Aand suSurface volumenV V están dados por: volume are given by Area Assuming that the particle shape is a perfect sphere, its area A and volume V are given by A ¼ pD2 (A10.2) (A10.2) (A10.2) A ¼ pD23 pD V¼ (A10.3) 3 pD 6 (A10.3) V¼ (A10.3) 6 1

These values are provided by Prof. Wojciech Misiolek, my colleague in Lehigh’s Department of Science Engineering. Powder metallurgy is one his research areas. Department of These values areand provided by Prof. Wojciech Misiolek, myofcolleague in Lehigh’s 1 Estos valores son proporcionados por el profesor Wojciech Misiolek, mi colega en el Department of Materials Science Materials Science and Engineering. Powder metallurgy is one of his research areas. 1Materials

and Engineering de la Universidad de Lehigh. La metalurgia de polvos es una de sus principales áreas de investigación.

C10 C10

08/16/2011 08/16/2011C1019:17:29 19:17:29 08/16/2011 Page Page236 236 19:17:29

236 236

Page 236

A10.2 Otras características  229

Chapter Chapter 236 10/Powder 10/Powder Chapter Metallurgy Metallurgy 10/Powder Metallurgy

where where DDdiámetro ¼¼diameter diameter where D the the ¼ spherical diameter spherical particle, of particle, the mm mm(in). (in). particle, The Thearea-to-volume area-to-volume mm (in). The area-to-volume ratio ratio A/V A/V for for ratio A/V for donde D= de laofof partícula esférica, mmspherical (pulg). La relación de área a volumen A/V para aaesfera sphere sphere then then agiven sphere given by by is then una seisis determina entonces por: given by A 6 AA 66 ¼ (A10.4) (A10.4) ¼¼ (A10.4) V D VV DD



(A10.4)

In general, thearea-to-volume In area-to-volume general, area-to-volume ratiocan can beexpressed expressed ratio can for beany any expressed particle for shape—spherical any particle shape—spherica general, ratio be for particle shape—spherical EnIn general, la the relación de área the a volumen puede expresarse para cualquier forma de partícula, ornonspherical—as nonspherical—as or como nonspherical—as follows: follows: or follows: esférica o no esférica, sigue:

AD AD A AD K AA KKs s s or or KKs s¼ or Ks ¼ ¼ (A10.5) (A10.5) (A10.5) ¼ ¼¼  o  D VV V V VV DD

(A10.5)

where where where Kys D ¼shape shape factor; factor; ¼Den shape ininel the the factor; general general Dcase case in=the ¼¼the general thediameter diameter of ¼ofthe aasphere sphere diameter ofofequivalent equivalent ofequivaa sphere of equivalent donde Ks K =Ksfactor de forma caso general diámetro de case una esfera de volumen s¼ ¼ ¼ 6.0 6.0 for for a a sphere. sphere. ¼ 6.0 For For for particle particle a sphere. For particle volume volume asasthe the nonspherical nonspherical volume as the particle, particle, nonspherical mm mm(in). (in). particle, Thus, Thus, mm K (in). Thus, K lente al de una partícula no esférica, mm (pulg). Entonces KK = 6.0 para una esfera. Para formas s s ss >6. >6. shapesother other than than shapes spherical, other K than KsKs>6. spherical, K deshapes partícula diferentes aspherical, la esférica, > 6. s s We Wecan caninfer inferthe the following following caninferir infer from from the these following theseequations. equations. from these Smaller Smaller equations. particle particle Smaller size sizeand and higher higher De estas ecuaciones seWe puede lo siguiente. Entre más pequeño sea el tamaño departicle la par- size and higher )de ) mean mean higher higher surface surface ) mean area area higher for for surface the the same same area total total for weight weight the same of of metal total metal weight powders. powders. of metal powders shape shape factor factor (K (Ksshape factor (K tícula y los factores forma sean más altos (K ) el área superficial será más alta para el mismo s s s This This means means greater greater This area means areafor forgreater surface surface area oxidation oxidation surface totoárea occur. occur. oxidation Small Small to powder powder occur. size Small also also powder leads leads size also leads to peso total de polvo metálico. Esto significa unafor mayor donde puede ocurrirsize la oxidación. Eltoto more moremás agglomeration agglomeration more of agglomeration ofthe the particles, particles, ofwhich which theaparticles, isisaamayor problem problem which ininisautomatic automatic a problem feeding in automatic ofofthe the feeding of the tamaño pequeño del polvo también conduce una aglomeración de lasfeeding partículas, lo powders. powders. The Thereason reason powders. for using The using reason smaller smaller forparticle particle using smaller sizes sizes isisparticle that that they sizes provide provide isusar that more more theyuniform uniform provide cual es una desventaja parafor el llenado automático con los polvos. La they razón para tamaños más more uniform shrinkage shrinkage and andbetter shrinkage better mechanical and better properties properties mechanical ininthe the properties final final PMin product. product. they final PMpropiedades product. pequeños de partículas es mechanical que suministran una contracción más PM uniforme mejores mecánicas en los productos finales de la PM.

A10.2 A10.2 OTHER OTHER A10.2 FEATURES FEATURES OTHER FEATURES

A10.2  Otras características

Other Otherfeatures featuresof Other ofengineering engineering featurespowders of powders engineering include include powders interparticle interparticle include friction, friction, interparticle flow flowcharacteristics, characteristics, friction, flow characteristics Otras características de los polvos en ingeniería incluyen fricción interparticular, packing, packing, density, density, packing, porosity, porosity, density, chemistry, chemistry, porosity, and andsurface chemistry, surfacefilms. films. and surface films. características de flujo, compactado, densidad, porosidad, composición química y películas superficiales.

Interparticle Interparticle Friction Friction Interparticle andFlow Flow Friction Characteristics Characteristics and Flow Friction Friction between between Friction particles particles between affects affects particles the the affects the Fricción interparticular y and características de flujo  LaCharacteristics fricción entre las partículas afecta la disability abilitydel ofofpolvo aapowder powder flow of flow a readily powder readily and flow pack pack readily tightly. tightly. and AAcommon pack common tightly. measure measure A common ofofinterparticle interparticle posición aability fluirtoto con facilidad y and ato compactarse firmemente. Una medida común demeasure la fric- of interparticle friction friction isisthe theangle angle friction ofrepose, repose, is thedeangle which which of isisel repose, the the angle angle formed is the by by angle aapile pile formed ofofpowders powders by a pile asasde they they of powders are are as they are ción interparticular es elofángulo reposo, cual eswhich elformed ángulo formado por un montón polvo poured poured from aanarrow poured narrow funnel, from funnel, narrow asininFigure Figure funnel, A10.3. A10.3. as Larger Larger Figure angles A10.3.indicate indicate Larger greater angles greater indicate friction friction cuando éstefrom se vacía a través de unaas embudo angosto, talin como seangles muestra en la figura A10.3. Los greater friction between between particles. between Smaller Smaller particles. particle particle Smaller sizes sizes generally particle sizes show show generally greater greater friction friction show and and steeper steeper friction and steeper ángulos más particles. grandes indican mayor fricción entregenerally partículas. Las partículas de menorgreater tamaño por angles.Spherical Spherical angles. shapes shapes Spherical result resultinyinthe shapes thelowest lowest result interparticle interparticle in the friction; friction; interparticle asasshape shape friction; deviates deviates more shape more deviates more lo angles. general muestran mayor fricción grandes ángulos. Laslowest formas esféricas producen la as menor from fromspherical, spherical,from friction friction spherical, between between friction particles particles tends particles to increase. increase. tends to increase. fricción interparticular, porque al desviarse debetween latends formato esférica, se incrementa la fricción entre Flow Flowcharacteristics characteristics Floware are characteristics important importantinin are die die important filling fillingand and inpressing. pressing. die filling Automatic Automatic and pressing. die diefilling Automatic filling die filling las partículas. depends depends on oneasy easy depends and and consistent on son easyimportantes flow and flowconsistent ofofthe the powders. powders. flow ofIn In the pressing, pressing, powders. resistance pressing, totoflow flow resistance to flow Las características de consistent flujo durante el llenado del dadoresistance y In el prensado. El increases increases density density increases variations variations density ininthe the variations compacted compacted in part; the part; compacted these thesedensity density gradients these En density are are generally generally gradients are generally llenado automático del dado depende de un flujo fácil y consistente depart; losgradients polvos. el prensado, undesirable. AAcommon undesirable. common measure measure A variaciones common ofofflow flow measure is isthe thetime time of flow required required thefor for time aacertain required certainamount amount for graa certain ofof amount of la undesirable. resistencia a fluir incrementa las de densidad en laisparte compactada; estos dientes de densidad son generalmente indeseables. Una medida común del flujo es el tiempo re-

FIGURE FIGUREA10.3 A10.3 FIGURE Interparticle Interparticle A10.3friction friction Interparticle as as friction as indicated indicatedby bythe theindicated angle angleofofrepose by repose the of angle ofaapile pile of repose of a pile ofofpowders powderspoured poured of powders from fromaanarrow narrow pouredfunnel. funnel. from a narrow funnel. Larger Largerangles anglesindicate indicate Largergreater angles greaterindicate greater FIGURA A10.3  friction. Fricción interparticular indicada interparticle interparticle friction. interparticle (Credit: (Credit: friction. (Credit: porFundamentals el ángulo de reposo de una pila de polvos vacia-Manufacturing, Fundamentals ofof Fundamentals Modern Modern Manufacturing, Manufacturing, of Modern da 4desde un embudo angosto. A mayor ángulo, 4ththEdition 4th Edition Edition by byMikell Mikell P.P.Groover, Groover, by Mikell 2010. 2010. P. maGroover, 2010. yorReprinted fricción interparticular. (Crédito: Fundamentals Reprintedwith withpermission permission Reprinted with ofof permission of of John Modern Manufacturing, 4a. ed.,&deSons, MikellInc.) P. JohnWiley Wiley &&Sons, Sons, John Inc.) Inc.) Wiley Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

Ángulo de reposo

Embudo

Pila de polvos

230  CAPÍTULO 10  Metalurgia de polvos

querido para que una cierta cantidad de polvo (en peso) fluya a través de un embudo de tamaño estándar. Los tiempos menores de flujo indican mayor facilidad de flujo y menor fricción interparticular. Para reducir la fricción interparticular y facilitar el flujo durante el prensado, frecuentemente se añaden pequeñas cantidades de lubricantes a los polvos. Empaquetamiento, densidad y porosidad  Las características de empaquetamiento (compacta-

do) dependen de dos medidas de densidad. Primero, la densidad real, que es la densidad del volumen verdadero del material. Ésta es la densidad del material cuando los polvos se funden en una masa sólida, cuyos valores se dan en la tabla 3.10. Segundo, la densidad volumétrica es la densidad de los polvos en el estado suelto después de vaciado, la cual incluye el efecto de los poros entre las partículas. Debido a los poros, la densidad volumétrica es menor que la densidad real. El factor de empaquetamiento es la densidad volumétrica dividida entre la densidad real. Los valores típicos para los polvos sueltos fluctúan entre 0.5 y 0.7. El factor de empaquetamiento depende de la forma y de la distribución de los tamaños de la partícula. Si están presentes polvos de varios tamaños, los polvos más finos se ajustarán entre los intersticios de los grandes, que de otra manera podrían ser tomados por el aire, lo que daría por resultado un factor de empaquetamiento más alto. Éste puede aumentarse también vibrando los polvos, lo cual ocasiona que se asienten más firmemente. Por último, se debe observar que la presión externa que se aplica durante la compactación, incrementa en gran medida el empaquetamiento de los polvos a través del rearreglo y deformación de las partículas. La porosidad representa un camino alterno para considerar las características de empaquetamiento de un polvo. La porosidad se define como la relación del volumen de los poros (espacios vacíos) en el polvo, respecto al volumen volumétrico. En principio,

Porosidad + factor de empaquetamiento = 1.0(A10.6)

Este asunto se complica por la posible existencia de poros cerrados en algunas de las partículas. Si el volumen interno de estos poros se incluye en la porosidad, entonces la ecuación es exacta. Composición química y películas superficiales  La caracterización del polvo no sería com-

pleta sin una identificación de su composición química. Los polvos metálicos se clasifican como elementales, esto significa que consisten en un metal puro o prealeado, en donde cada partícula es una aleación. Estas clases y los metales que se usan comúnmente en la PM se revisaron más detenidamente en la sección 10.4. Las películas superficiales son un problema en la metalurgia de polvos debido a la gran área por unidad de peso del metal cuando se trata con polvos. Las posibles películas incluyen óxidos, sílice, materiales orgánicos adsorbidos y humedad [6]. Por lo general, estas películas deben removerse antes de procesar la forma.

11

Procesamiento de cerámicos y cermets

CONTENIDO DEL CAPÍTULO 11.1

11.2

Procesamiento de cerámicos tradicionales 11.1.1  Preparación de las materias primas 11.1.2  Procesos para dar forma 11.1.3 Secado 11.1.4  Cocimiento (sinterizado) Procesamiento de cerámicos nuevos 11.2.1  Preparación de materiales iniciales 11.2.2 Formado

11.2.3 Sinterizado 11.2.4 Acabado 11.3 Procesamiento de cermets 11.3.1  Carburos cementados 11.3.2 Otros cermets y compósitos de matriz de cerámico 11.4 Consideraciones para el diseño de productos

Los materiales cerámicos se dividen en tres categorías (véase la sección 2.2): 1) cerámicos tradicionales, 2) nuevos productos cerámicos y 3) vidrios. El procesamiento del vidrio involucra principalmente solidificación y se estudió en el capítulo 7. En este capítulo se considerarán los métodos de procesamiento particulado que se usan para los cerámicos nuevos y los tradicionales. También se estudiarán el procesamiento de los materiales compósitos con matriz metálica y con matriz de material cerámico. Los materiales cerámicos tradicionales se hacen a partir de minerales que se encuentran en la naturaleza e incluyen alfarería, porcelana, ladrillos y cemento. Los nuevos cerámicos se hacen a partir de materias primas producidas sintéticamente y cubren un amplio espectro de productos como herramientas de corte, huesos artificiales, combustibles nucleares y sustratos de circuitos electrónicos. El material inicial para ambas categorías es polvo. En el caso de los cerámicos tradicionales, los polvos se mezclan usualmente con agua para aglutinar temporalmente las partículas y lograr una consistencia adecuada para darles forma. En los nuevos cerámicos se usan otras sustancias aglutinantes durante el proceso para darles forma. Las piezas en verde se sinterizan después de ser formadas. En el procesamiento de materiales cerámicos esto se llama cocimiento, pero su función es la misma que en metalurgia de polvos: efectuar una reacción de estado sólido que una los materiales en una masa sólida y dura. Los métodos de procesamiento que se revisarán en este capítulo son importantes tecnológica y comercialmente porque en la práctica todos los productos cerámicos son formados por estos métodos (excepto, por supuesto, los productos de vidrio). La secuencia de manufactura es muy similar entre los materiales cerámicos tradicionales y los nuevos cerámicos debido a que la forma del material inicial es la misma: polvo. Sin embargo, los métodos de procesamiento para las dos categorías son bastante diferentes, por lo que se analizarán en forma individual.

11.1  Procesamiento de cerámicos tradicionales En esta sección se revisará la tecnología de producción de cerámicos tradicionales, como alfarería, gres y otras lozas de mesa, ladrillos, azulejos y cerámica refractaria. Las piedras abrasivas se

232  CAPÍTULO 11  Procesamiento de cerámicos y cermets

a) 1) Preparación de polvos

Polvos sueltos

2) Dar forma o geometría al barro húmedo Arcilla y agua

3) Secado

Arcilla seca

4) Cocido

Arcilla cocida

b) Poros de aire Aire

Agua

FIGURA 11.1  Pasos usuales en el procesamiento tradicional de los cerámicos: 1) preparación de materias primas, 2) dar la forma o geometría, 3) secado y 4) cocimiento. El inciso a) muestra la pieza de trabajo durante la secuencia, mientras que el inciso b) muestra la condición de los polvos. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

producen también por los mismos métodos básicos. Lo que estos productos tienen en común es que sus materias primas consisten en silicatos cerámicos (arcillas). La secuencia de procesamiento de la mayoría de los cerámicos tradicionales incluye los pasos ilustrados en la figura 11.1.

11.1.1  Preparación de las materias primas Los procesos para dar la forma o geometría a los productos cerámicos tradicionales requieren que el material inicial tenga la forma de una pasta plástica, compuesta de finos polvos cerámicos mezclados con agua; su consistencia determina la facilidad para formar el material y la calidad del producto final. Las materias primas de los materiales cerámicos se encuentran generalmente en la naturaleza como terrones rocosos, y su reducción a polvo es el propósito del paso de preparación en el procesamiento de los cerámicos. Las técnicas para reducir el tamaño de las partículas en el procesamiento de los materiales cerámicos implican el uso de la energía mecánica en varias formas, como impacto, compresión y desgaste por fricción. El término pulverización se usa para estas técnicas, las cuales son más efectivas en materiales frágiles, incluyendo el cemento, las menas metálicas y los metales frágiles. Se distinguen dos tipos generales de operaciones de pulverización: el triturado y la molienda. El triturado se refiere a la reducción de grandes trozos o terrones provenientes de la mina en tamaños más pequeños para su reducción posterior. Se pueden requerir varias etapas (por ejemplo, triturado primario y triturado secundario), y la relación de reducción en cada etapa puede ser del orden de 3 a 6. El triturado de minerales se realiza por compresión contra superficies rígidas o por impacto contra superficies rígidas con movimiento restringido [1]. El equipo que se usa para realizar el triturado es de varios tipos. En la figura 11.2 se muestran algunos equipos utilizados para llevarlo a cabo: a) trituradores de quijadas, en los cuales una quijada grande se mueve hacia delante y hacia atrás para triturar los terrones contra una superficie dura y rígida; b) trituradores giratorios, que usan un cono giratorio para comprimir los trozos contra una superficie dura y rígida; c) trituradores de rodillos, en los cuales los trozos de material cerámico se aprietan o comprimen entre tambores rotatorios, y d) molinos de martillos que usan martillos rotatorios para golpear el material y romper los trozos. La molienda, en este contexto, se refiere a la operación de reducir las piezas pequeñas producidas por el triturado a polvos finos. La molienda se realiza por abrasión e impacto del mineral triturado por el libre movimiento de un medio duro y suelto como bolas, piedras o barras [1]. En

11.1  Procesamiento de cerámicos tradicionales   233

Junta de bola y cuenca Soporte superior Quijada basculante Cono triturador giratorio Quijada fija

Anillo triturador cónico

Excéntrico

Excéntrico Flecha o eje motriz Mecanismo de articulación doble b)

a)

Alimentación Alimentación

Quijadas Rodillos c)

d)

FIGURA 11.2  Operaciones de trituración: a) triturador de quijadas, b) triturador giratorio, c) triturador de rodillos y d) molino de martillos. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

Material

Contenedor

Rodillos de molino Aire Contenedor

Material

Bolas Mesa giratoria

Rodillos direccionales

Flecha o eje motriz a)

b)

c)

FIGURA 11.3  Métodos mecánicos para producir polvos cerámicos: a) molino de bolas, b) molino de rodillos y c) molienda por impacto. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

234  CAPÍTULO 11  Procesamiento de cerámicos y cermets

la figura 11.3 se ilustran algunos ejemplos de molienda: a) molino de bolas, b) molino de rodillos y c) molienda por impacto. Un molino de bolas contiene esferas duras mezcladas con el material a pulverizar, que giran dentro de un recipiente cilíndrico grande. El movimiento giratorio arrastra las bolas y el material hacia arriba en la pared del recipiente y los hace caer para realizar la molienda por una combinación de impacto y el desgaste por fricción. Estas operaciones frecuentemente añaden agua a la mezcla de manera que se forme una pasta aguada. En un molino de rodillos, el material se comprime contra la mesa horizontal del molino mediante rodillos que giran sobre la superficie de la mesa. Aunque no se muestra claramente en el diagrama, la presión de los rodillos sobre la mesa se regula por resortes mecánicos o medios hidroneumáticos. En la molienda por impacto, que parece usarse con menor frecuencia, las partículas del material se proyectan contra una superficie plana dura, ya sea por corriente de aire a alta velocidad o mediante un chorro de una pasta muy fluida a alta velocidad. El impacto fractura las piezas en partículas más pequeñas. La pasta plástica requerida para dar la forma consiste en polvos cerámicos y agua. La arcilla es el ingrediente principal de la pasta ya que tiene características ideales de formado. Mientras más agua tenga la mezcla, la arcilla será más plástica y fácil de formar. Sin embargo, cuando es secada y cocida la pieza formada, se presenta la contracción que puede causar grietas en el producto. Para evitar este problema se añaden a la pasta otras materias primas de material cerámico que no se contraen durante el secado y el proceso de cocimiento, con frecuencia en cantidades significativas. También se pueden añadir otros componentes que tienen funciones especiales. De esta manera los ingredientes de la pasta cerámica se pueden dividir en las siguientes tres categorías [3]: 1) arcilla, que proporciona la consistencia y plasticidad requeridas para dar la forma; 2) materias primas no plásticas, como alúmina y sílice, que no se contraen durante el secado y el cocido, pero desafortunadamente reducen la plasticidad en la mezcla durante el formado, y 3) otros ingredientes, como fundentes, que funden (vitrifican) durante el cocimiento y promueven el sinterizado del material cerámico y agentes humectantes que mejoran la mezcla y combinado de los ingredientes. Estos ingredientes se mezclan (combinan) perfectamente por vía húmeda o seca. Además de su función de molienda, el molino de bolas sirve para este propósito. También deben ajustarse las cantidades apropiadas de polvo y agua en la pasta, de manera que se pueda aumentar o disminuir la humedad, dependiendo de la condición anterior de la pasta y de la consistencia final deseada.

11.1.2  Procesos para dar forma Las proporciones óptimas de polvo y agua dependen del proceso utilizado para dar la forma. Algunos procesos para dar forma requieren alta fluidez; otros actúan sobre una composición que tiene bajo contenido de agua. Con cerca de 50% de agua, la mezcla es una pasta aguada que fluye como un líquido. Al reducirse el contenido de agua, se hace necesario aumentar la presión sobre la pasta para producir un flujo similar. Por tanto, los procesos para dar forma pueden dividirse con base en la consistencia de la mezcla: 1) fundición o vaciado deslizante, en la cual la mezcla es ligera con un 25 a 40% de agua; 2) métodos de formado plástico, con los cuales se da la forma y geometría a la arcilla en condición plástica con 15 a 25% de agua; 3) prensado semiseco, en el cual la arcilla está húmeda (10 a 15% de agua), pero posee baja plasticidad, y 4) prensado seco, en el cual la arcilla está básicamente seca, contiene menos de 5% de agua. La arcilla seca no tiene plasticidad. Cada categoría incluye varios procesos diferentes de formado. Fundición o vaciado deslizante  En este método se vacía una suspensión de polvos cerámicos

en agua, llamada pasta líquida, dentro de un molde poroso de yeso (CaSO4–2H2O) donde el yeso absorbe el agua de la mezcla de manera gradual y se forma una capa de arcilla firme en la superficie del molde. La composición de la pasta líquida es típicamente de 25 a 40% de agua, y el remanente es arcilla mezclada de manera frecuente con otros ingredientes. Debe ser lo suficientemente fluida para penetrar en los resquicios de la cavidad del molde, pero también es conveniente que el contenido de agua sea bajo para lograr mayores tasas de producción. El vaciado deslizante tiene dos variantes principales: 1) vaciado drenado y 2) vaciado sólido. En el vaciado drenado, que es el proceso tradicional, el molde se invierte para drenar el exceso de pasta líquida después de que

11.1  Procesamiento de cerámicos tradicionales   235

Pasta líquida

Molde de yeso

1)

2)

3)

4)

FIGURA 11.4   Secuencia de los pasos en el vaciado drenado, una forma de vaciado deslizante: 1) se vacía la pasta líquida en la cavidad del molde, 2) el agua es absorbida por el molde de yeso para formar una capa firme, 3) el exceso de pasta líquida se vacía afuera y 4) se retira la parte del molde y se recorta. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

se ha generado la forma de la capa semisólida, dejando así una parte hueca en el molde; éste se abre después y se remueve la parte. La secuencia es muy similar a la fundición hueca de metales y se ilustra en la figura 11.4. Ésta se usa para hacer jarras de té, vasos, objetos de arte y otros productos huecos. En el vaciado sólido, que se usa para producir productos sólidos, se da el tiempo suficiente para que el cuerpo entero se vuelva firme. El molde debe llenarse periódicamente con pasta líquida adicional para compensar la contracción debida a la absorción de agua. Formado plástico  Esta categoría incluye varios métodos manuales y mecanizados. Todos ellos requieren que la mezcla inicial tenga consistencia plástica, lo cual se logra generalmente con un contenido de agua de 15 a 25%. Para los métodos manuales se usan generalmente arcillas en el límite superior del rango, que constituyen un material más fácil de formar; sin embargo, esto viene acompañado de mayor contracción en el secado. Los métodos mecanizados emplean por lo general mezclas que se combinan con menor contenido de agua y por tanto la arcilla inicial es más espesa. Aunque los métodos manuales de formado se remontan a miles de años atrás, actualmente los siguen usando hábiles artesanos ya sea para producción o para obras de arte. El modelado a mano involucra la creación del producto cerámico por manipulación de la masa de arcilla plástica a fin de darle la forma deseada. Además de las piezas de arte, se hacen por este método los modelos para los moldes de yeso en el vaciado deslizante. El vaciado o moldeado a mano es un método similar, pero se utiliza un molde o forma para determinar las partes de la configuración geométrica. El torneado a mano sobre un torno de alfarero es otro refinamiento de los métodos artesanales. El torno de alfarero es una mesa redonda que gira en un eje vertical accionada por un motor o por un pedal. Los productos cerámicos de sección transversal circular pueden formarse en el torno de alfarero usando algunas veces un molde que proporciona la forma interna. Estrictamente hablando, el uso del torno de alfarero accionado con motor es un método mecanizado. Sin embargo, la mayoría de los métodos mecanizados de formación de arcilla se caracterizan por mucha menor participación manual que el método de torneado manual descrito. Estos métodos más mecanizados incluyen el torneado ligero, el prensado plástico y la extrusión. El torneado ligero es una extensión del método del alfarero, en el cual el modelado a mano se reemplaza por técnicas mecanizadas. Se usa para producir grandes cantidades de artículos idénticos como platos y tazones para uso doméstico. Aunque hay variantes en las herramientas y métodos usados, con diferentes niveles de automatización y refinamiento de los procesos básicos, en la figura 11.5 se describe la secuencia típica: 1) una masa de arcilla húmeda se coloca en un molde convexo; 2) una herramienta de formado presiona contra la masa para generar la forma inicial

236  CAPÍTULO 11  Procesamiento de cerámicos y cermets

Formador de v, F la tejuela

F

Masa de arcilla Molde de yeso

Plantilla Tejuela

1)

2)

3)

FIGURA 11.5  Secuencia del torneado ligero: 1) una masa de arcilla húmeda se coloca en un molde convexo, 2) tejuelado y 3) una plantilla imparte la forma final al producto. Los símbolos v y F indican movimiento (v = velocidad) y fuerza aplicada, respectivamente. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

aproximada. La operación se llama tejuelado y la pieza de trabajo creada se llama tejuela, y 3) una herramienta plantilladora calentada imparte el contorno final en la superficie durante la rotación de la pieza de trabajo. La razón para calentar la herramienta es producir vapor de la arcilla húmeda, lo cual evita la adherencia. Estrechamente relacionado con el torneado ligero, es el moldeo al torno con estirado, por medio del cual la forma del molde básico es cóncava en vez de convexa [8]. En ambos procesos se usa algunas veces, en lugar de la plantilla, una herramienta rodante que forma la arcilla por rodamiento, evitando la necesidad de tejuelear el pedazo inicial. El prensado plástico es un proceso de formado en el cual la masa de arcilla plástica se prensa entre un molde inferior y otro superior contenidos en un arillo metálico. Los moldes se hacen de un material poroso como yeso; así, al aplicar vacío detrás de los moldes se remueve la humedad de la arcilla. Las secciones del molde se abren entonces, usando presión de aire positiva para prevenir la adherencia de la pieza en el molde. El prensado plástico alcanza producciones más altas que el torneado y no se limita a piezas de simetría radial. La extrusión se usa en el procesamiento cerámico para producir secciones largas de sección transversal uniforme que se cortan a la longitud de la pieza requerida. El equipo de extrusión utiliza una acción tipo tornillo que ayuda a mezclar la arcilla y a empujar el material plástico a través de la abertura del dado o troquel. Esta secuencia de producción se usa ampliamente para hacer tabiques huecos, losetas, tubos de drenado, tubería en general y aislantes. Se usa también para hacer pedazos de barro inicial para otros procesos cerámicos como torneado ligero y prensado plástico. Prensado semiseco  En el prensado semiseco las proporciones de agua en la arcilla inicial están típicamente en el rango de 10 a 15%. Esta proporción produce una baja plasticidad que impide el uso de métodos de formado plástico, los cuales requieren una arcilla con mayor plasticidad. Los procesos semisecos usan alta presión para superar la baja plasticidad del material y forzarlo a fluir al interior de la cavidad de un dado o troquel. Con frecuencia se forma rebaba debido al exceso de barro que se introduce entre las secciones del dado. Prensado seco  La diferencia principal entre el prensado semiseco y el prensado seco es el con-

tenido de humedad del material inicial. El contenido de humedad de la arcilla inicial en el prensado seco está típicamente por debajo de 5%. Generalmente se agregan aglutinantes a la mezcla de polvos para proporcionar suficiente resistencia a la pieza prensada para su manejo subsiguiente. También se añaden lubricantes para prevenir que la pieza se pegue al dado durante el prensado y la expulsión. Debido a que la arcilla seca no tiene plasticidad y es muy abrasiva, el diseño del dado o troquel y los procedimientos de operación son diferentes al prensado semiseco. Los dados se hacen de acero grado herramienta endurecido o carburo de tungsteno cementado para reducir el desgaste. Como la arcilla seca no fluye durante el prensado, la forma de la pieza es relativamente simple, por lo que se debe agregar y distribuir en el dado o troquel la cantidad correcta de polvo inicial.

11.1  Procesamiento de cerámicos tradicionales   237

FIGURA 11.6  Volumen de la arcilla como una función del contenido de agua. La relación que se muestra aquí es típica; varía para diferentes composiciones de la arcilla. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

Volumen agregado

Volumen de la arcilla húmeda

Agua

Aire

Arcilla sólida

Volumen de agua

No se forman rebabas en el prensado seco y no ocurre contracción por el secado, así que el tiempo de secado se elimina, lográndose una buena precisión dimensional del producto final. La secuencia del proceso en el prensado seco es similar a la del prensado semiseco. Los productos típicos incluyen azulejos para baño, aisladores eléctricos y ladrillos refractarios.

11.1.3 Secado

Velocidad de secado

FIGURA 11.7  Curva de velocidad de secado típica asociada a una reducción de volumen (contracción por secado) para un cuerpo cerámico. La velocidad de secado en la segunda etapa se muestra aquí como una línea recta (disminución constante de la velocidad en función del contenido de agua); la función se muestra en la literatura de varias formas, cóncava o convexa [3], [8]. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

Volumen agregado

El agua juega un papel importante en la mayoría de los procesos tradicionales para dar la forma al cerámico. Pero en adelante ya no tiene ningún objeto y debe removerse del cuerpo de la pieza antes de cocerla. La contracción es un problema durante este paso porque el agua aporta volumen a la pieza y cuando se retira, el volumen se reduce. El efecto se puede ver en la figura 11.6. Al añadir agua inicialmente a la arcilla seca, ésta reemplaza simplemente al aire de los poros entre los granos cerámicos y no hay cambio de volumen. Al incrementarse el contenido de agua por arriba de cierto punto, los granos empiezan a separarse y el volumen aumenta, lo que da por resultado una arcilla húmeda que tiene plasticidad y facilidad de formado. Al aumentar el contenido de agua la mezcla se convierte a la larga en una suspensión líquida de partículas de arcilla en agua. El proceso inverso ocurre en el secado. Al remover agua de la arcilla húmeda, el volumen de la pieza se contrae. El proceso de secado ocurre en dos etapas, como se describe en la figura 11.7. En la primera etapa, la velocidad de secado es rápida y constante, debido a que el agua de la superficie de la arcilla se evapora en el aire circundante y el agua interior emigra, por acción capilar, hacia la superficie para reemplazarla. Durante esta etapa ocurre la contracción, con el riesgo asociado de deformación y agrietamiento debido a las variaciones del secado en diferentes secciones de la pieza. En la segunda etapa de secado, el contenido de humedad se ha reducido hasta que los granos cerámicos han quedado en contacto, y ocurre poca o ninguna contracción subsecuente. El proceso de secado se hace más lento, como se puede ver en la gráfica de la velocidad decreciente.

Volumen (contracción) Progreso del secado Etapa 1 de secado Etapa 2 de secado Contenido de humedad (volumen de agua)

238  CAPÍTULO 11  Procesamiento de cerámicos y cermets

En producción, el secado se realiza de manera usual en cámaras donde son controladas la temperatura y la humedad para lograr la calendarización apropiada de secado. Debe tenerse cuidado de no remover demasiado rápido el agua de la pieza, para evitar que se formen altos gradientes de humedad, haciendo el material más propenso a las grietas. El calentamiento se hace normalmente por una combinación de convección y radiación usando fuentes infrarrojas. Los tiempos típicos de secado van desde 15 minutos para secciones delgadas, hasta varios días para secciones muy gruesas.

11.1.4  Cocimiento (sinterizado) Después de dar la forma al material, pero antes del cocimiento, se dice que la pieza de cerámico está en verde (el mismo término que en la metalurgia de polvos), lo cual significa que no está completamente procesada o tratada. La pieza en verde carece de dureza y resistencia, debe cocerse para fijar la forma de la pieza y lograr dureza y resistencia en el producto final. El cocimiento es el proceso de tratamiento térmico que sinteriza al material cerámico y se realiza en un horno cerámico (kiln, en inglés). En el sinterizado se desarrollan uniones entre los granos cerámicos y esto va acompañado de densificación y reducción de porosidad. Por tanto, ocurre una nueva contracción en el material policristalino además de la que ya ha ocurrido en el secado. La sinterización en cerámico es básicamente el mismo mecanismo que en la metalurgia de polvos. En el cocimiento del cerámico tradicional pueden ocurrir ciertas reacciones químicas entre los componentes de la mezcla y formarse también una fase vítrea entre los cristales, la cual actúa como aglutinante. Ambos fenómenos dependen de la composición química del material cerámico y de las temperaturas de cocimiento que se usan. Las piezas de cerámico sin vidriarse se cuecen solamente una vez; los productos vidriados se cuecen dos veces. El vidriado se refiere a la aplicación de un recubrimiento cerámico en la superficie para hacer las piezas más impermeables al agua y mejorar su apariencia. La secuencia de procesamiento usual de los artículos vidriados es: 1) cocimiento de los artículos antes del vidriado para endurecer el cuerpo de la pieza, 2) aplicar el vidriado y 3) cocer la pieza una segunda vez para endurecer el vidriado.

11.2  Procesamiento de cerámicos nuevos La mayoría de los cerámicos tradicionales se basa en la arcilla (barro), que posee la capacidad única de adquirir plasticidad cuando se mezcla con agua, y dureza cuando se seca y se cuece. La arcilla consta de varios compuestos de silicato hidratado de aluminio, mezclados usualmente con otros materiales cerámicos, para formar una composición química más bien compleja. Los nuevos cerámicos (sección 2.2.2) se basan en compuestos químicos más simples, como óxidos, carburos y nitruros. Estos materiales no poseen la plasticidad y facilidad de formado de las arcillas tradicionales cuando se mezclan con agua. Por consiguiente, los polvos deben combinarse con otros ingredientes para lograr la plasticidad y otras propiedades convenientes durante el formado y aplicar así los métodos convencionales. Los nuevos cerámicos se diseñan generalmente para aplicaciones que requieren alta resistencia, dureza y otras propiedades que no se encuentran en los materiales cerámicos tradicionales. Estos requerimientos motivaron la introducción de varias técnicas nuevas de procesamiento no usadas antes en los cerámicos tradicionales. La secuencia de manufactura para los nuevos cerámicos se puede resumir en los siguientes pasos: 1) preparación de materiales iniciales, 2) dar la forma, 3) sinterizado y 4) acabado. Si bien la secuencia es casi la misma para los cerámicos tradicionales, los detalles son frecuentemente muy diferentes como se verá a continuación.

11.2.1  Preparación de materiales iniciales Como la resistencia que se especifica para estos materiales es generalmente mucho más grande que para los cerámicos tradicionales, los polvos iniciales deben ser más homogéneos en tamaño

11.2  Procesamiento de cerámicos nuevos   239

y composición y el tamaño de partícula debe ser más pequeña (la resistencia del producto cerámico resultante es inversamente proporcional al tamaño de grano). Por tanto, se requiere un mayor control de los polvos iniciales. La preparación de los polvos incluye métodos mecánicos y químicos. Los métodos mecánicos constan de las mismas operaciones de molienda que se llevan a cabo en el molino de bolas utilizado con los cerámicos tradicionales. La dificultad con estos métodos es que las partículas del cerámico se contaminan con el material de las bolas y paredes del molino. Esto compromete la pureza de los polvos cerámicos y como resultado aparecen grietas microscópicas que reducen la resistencia del producto final. Se usan dos métodos químicos para lograr mayor homogeneidad en los polvos de los nuevos cerámicos: 1) secado por congelación y 2) precipitación de una solución. En secado por congelación, las sales de un producto químico inicial apropiado se disuelven en agua y la solución se rocía para formar gotas pequeñas que son rápidamente congeladas. Después, se remueve la humedad de las gotas en una cámara de vacío, la sal resultante secada por congelación se descompone por calentamiento para formar polvos cerámicos. El secado por congelación no es aplicable a todos los cerámicos, debido a que en algunos casos no es posible identificar una sal soluble en agua adecuada como material inicial. La precipitación de una solución es otro método de preparación que se usa para los nuevos cerámicos. En el proceso típico, el compuesto cerámico deseado se disuelve a partir del mineral inicial, permitiendo filtrar las impurezas. Entonces se precipita un compuesto intermedio de la solución, que se convierte en el compuesto deseado por calentamiento. Un ejemplo del método de precipitación es el proceso Bayer para producir alúmina de alta pureza (se usa también en la producción de aluminio). En este proceso el óxido de aluminio se disuelve del mineral llamado bauxita, para remover los compuestos de hierro y otras impurezas. Luego se precipita el hidróxido de aluminio (Al(OH)3) de la solución y se reduce a Al2O3 por calentamiento. La preparación posterior de polvos incluye la clasificación por tamaños y el mezclado combinado antes de darles forma. Se requieren polvos muy finos para las aplicaciones de los nuevos cerámicos, por lo que se deben separar los granos y clasificarlos de acuerdo con su tamaño. Se requiere también el mezclado total de las partículas para evitar segregación, especialmente cuando se combinan diferentes polvos cerámicos. Frecuentemente se combinan varios aditivos con los polvos iniciales, por lo general en pequeñas cantidades. Estos aditivos incluyen 1) plastificantes, para mejorar la plasticidad y facilidad de trabajo; 2) aglutinantes, para unir las partículas del cerámico en una masa sólida en el producto final; 3) agentes humectantes, para mejorar el mezclado; 4) desfloculantes, que ayudan a prevenir la aglomeración y la unión prematura de los polvos, y 5) lubricantes, para reducir la fricción entre los granos cerámicos durante el formado y para reducir la adherencia cuando se retira la pieza del molde.

11.2.2 Formado Muchos de los procesos para dar forma (formado) para los nuevos cerámicos han sido tomados de la metalurgia de polvos y de la cerámica tradicional. Los métodos de prensado y sinterizado analizados en la sección 10.2 han sido adaptados para los nuevos materiales cerámicos. Se han usado algunas de las técnicas de formado de los cerámicos tradicionales (sección 11.1.2) para formar los nuevos cerámicos, incluyendo el vaciado deslizante, la extrusión y el prensado en seco. Los procesos que describiremos a continuación no se relacionan normalmente con el formado de cerámicos tradicionales, aunque varios de ellos se asocian con la metalurgia de polvos. Prensado caliente  El prensado caliente es similar al prensado en seco, excepto que el proceso

se lleva a cabo a temperaturas elevadas, así el sinterizado del producto se realiza simultáneamente con el prensado. Esto elimina la necesidad de un paso de cocimiento adicional en la secuencia. Se obtienen densidades más altas y granos de tamaño más fino, pero la vida del dado se reduce por la abrasión de las partículas calientes contra la superficie del dado. Prensado isostático  El prensado isostático de los cerámicos es el mismo proceso que se usa

en la metalurgia de polvos (sección 10.3.1). Usa presión hidrostática para compactar los polvos

240  CAPÍTULO 11  Procesamiento de cerámicos y cermets

Pasta aguada de cerámico Zona de secado

Película portadora

v

Cinta en verde

Estructura de soporte

Carrete de película portadora

Carrete de la cinta

FIGURA 11.8  Proceso de bisturí (doctor-blade process, en inglés) que se usa para fabricar láminas delgadas de cerámica. El símbolo v indica movimiento (v = velocidad). (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

cerámicos en todas direcciones, evitando la falta de uniformidad del producto final, problema que se observa frecuentemente en los métodos de prensado uniaxial tradicional. Proceso de bisturí  Este proceso se usa para hacer láminas delgadas de material cerámico. Una

aplicación común son las láminas que se usan en la industria electrónica como materiales de sustrato para los circuitos integrados. El proceso se muestra en el diagrama de la figura 11.8. Una pasta aguada de cerámico se introduce en una película portadora móvil como el celofán. El espesor del cerámico en la película portadora se determina por un limpiador llamado bisturí. Al moverse la pasta por debajo de la línea, se seca formando una cinta cerámica en verde flexible. Al final de la línea se enrolla la cinta en un carrete para su procesado posterior. La cinta en verde se puede cortar o procesar antes de cocerse. Moldeo por inyección de polvos (Powder Inyection Molding)  Es el mismo proceso que se

usa en metalurgia de polvos (sección 10.3.2), excepto que los polvos son cerámicos en lugar de metálicos. Las partículas del cerámico se mezclan para combinarse con un polímero termoplástico que actúa como portador y que proporciona las características apropiadas de flujo a las temperaturas de moldeo. La mezcla se calienta y se inyecta en la cavidad de un molde. Cuando el polímero se enfría y endurece, se abre el molde y se retira la pieza. Debido a que las temperaturas que se necesitan para plastificar el portador son mucho más bajas que las requeridas para efectuar el sinterizado del material cerámico, la pieza sigue en verde después del moldeo. Antes del sinterizado se debe remover el aglutinante plástico. Esto se llama desaglomeración y se realiza generalmente mediante una combinación de tratamientos térmicos con solventes. Las aplicaciones del moldeo por inyección de polvos para los cerámicos son limitadas debido a las dificultades en la desaglomeración y el sinterizado. El quemado del polímero es relativamente lento, y su remoción debilita la resistencia en verde de la parte o pieza moldeada. Con frecuencia se presentan torceduras y grietas durante el sinterizado. Los productos cerámicos hechos por PIM son especialmente vulnerables a grietas microestructurales que limitan su resistencia.

11.2.3 Sinterizado Como la plasticidad que se necesita para formar los nuevos cerámicos no se basa en una mezcla con agua, se puede omitir el secado comúnmente requerido para remover el agua de los cerámicos tradicionales en verde en el procesamiento de la mayoría de los nuevos productos cerámicos. Sin embargo, el paso de sinterizado todavía es muy necesario para obtener las máximas resistencia y dureza posibles. Las funciones de sinterizado son las mismas que antes: 1) unir los granos individuales en una masa sólida, 2) incrementar la densidad y 3) reducir o eliminar la porosidad. Para sinterizar el material cerámico se usan comúnmente temperaturas de 80 a 90% del punto de fusión. El mecanismo de sinterización es diferente entre los nuevos cerámicos, que se basan

11.3  Procesamiento de cermets   241

predominantemente en un solo compuesto químico (por ejemplo, Al2O3), y los cerámicos basados en arcilla, los cuales generalmente consisten en varios compuestos con diferentes puntos de fusión. En el caso de las nuevos cerámicos, el mecanismo de sinterizado es la difusión de masa a través de las superficies de contacto de las partículas, probablemente acompañada de algún flujo plástico. Este mecanismo ocasiona que los centros de las partículas se muevan para juntarse más, el efecto se traduce en una densificación del material final. En el sinterizado de cerámicos tradicionales, este mecanismo se complica por la fusión de algunos constituyentes y la formación de una fase vidriada que actúa como aglutinante entre los granos.

11.2.4 Acabado Las piezas hechas con los nuevos cerámicos requieren algunas veces de acabado. En general esta operación tiene uno o más de los siguientes propósitos: 1) incrementar la precisión dimensional, 2) mejorar el acabado de la superficie y 3) hacer cambios menores en la geometría de la pieza. Las operaciones de acabado involucran generalmente rectificado y otros procesos abrasivos (capítulo 18). Se necesita usar abrasivos de diamante para cortar los materiales cerámicos endurecidos.

11.3  Procesamiento de cermets Muchos compósitos de matriz metálica (Metal Matrix Composites) y compósitos de matriz cerámica (Ceramic Matrix Composite) se procesan por métodos de procesamiento particulado. Los ejemplos más prominentes son los carburos cementados y otros cermets.

11.3.1  Carburos cementados Los carburos cementados son una familia de los materiales compósitos que consisten en partículas de carburos cerámicos incorporadas en un aglutinante metálico. Se clasifican como compósitos de matriz metálica debido a que el aglutinante metálico es la matriz que mantiene junta la masa del material; sin embargo, las partículas de carburo constituyen la proporción más grande del material compósito y fluctúa normalmente entre 80 y 95% en volumen. Los carburos cementados se clasifican técnicamente como cermets, aunque con frecuencia se distinguen de otros materiales en esta clase. El carburo cementado más importante es el carburo de tungsteno en un aglutinante de cobalto (WC-Co). En esta categoría se incluyen generalmente ciertas mezclas de WC, TiC y TaC en una matriz de Co en las cuales el carburo de tungsteno es el principal componente. Otros carburos cementados incluyen carburo de titanio en níquel (TiC-Ni) y carburo de cromo en níquel (Cr3C2-Ni). Estos materiales compósitos se revisaron en la sección 2.4.2, y los ingredientes de carburo se describieron en la sección 2.2.2. Aquí interesa el procesamiento de carburos cementados que se basa en tecnologías particuladas. Para proveer una pieza fuerte y libre de poros, los polvos de carburo deben sinterizarse con un aglutinante metálico. El cobalto es el que funciona mejor con WC, mientras que el níquel es mejor con TiC y Cr3C2. La proporción usual de un aglutinante metálico va de 4 hasta 20%. Los polvos de carburo y el aglutinante metálico se mezclan perfectamente en húmedo en un molino de bolas (u otra máquina mezcladora apropiada) para formar un lodo homogéneo. La molienda sirve también para refinar el tamaño de partícula. El lodo se seca después en una atmósfera controlada o al vacío para prevenir oxidación en la preparación para la compactación. Compactación  Se usan varios métodos para formar la mezcla de polvos en un compactado en verde de forma deseada. El proceso más común es el prensado en frío, descrito antes y usado para alta producción de piezas de carburo cementado, como insertos para herramientas de corte. Los dados que se usan en el prensado frío deben hacerse sobredimensionados para tomar en

242  CAPÍTULO 11  Procesamiento de cerámicos y cermets

Rango típico de composición de productos de carburo cementado

Líquido

1 600 1 400

2 800

γ + líquido 1 320 °C (2 408 °F)

γ

1 200 1 000

3 200

WC + líquido

WC + γ

2 400 2 000

Temperatura, °F

FIGURA 11.9  Diagrama de fase del WC-Co. Fuente: [7]. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

Temperatura, °C

1 800

1 600 0 WC

25 50 75 Porcentaje en peso de cobalto

100 Co

cuenta la contracción durante el sinterizado. La contracción lineal puede ser de 20% o más. Para alta producción, los dados se hacen con revestimiento de WC-Co para reducir el desgaste, debido a la naturaleza abrasiva de las partículas de carburo. Para cantidades más pequeñas, se prensan grandes secciones planas y luego se cortan en piezas más pequeñas de tamaño específico. Se usan otros métodos de compactación para los productos de carburo cementado, entre los que se incluyen el prensado isostático y el prensado en caliente para piezas grandes, como dados para estirado, bolas para molinos, y extrusión para secciones transversales largas de formas circulares, rectangulares u otras. Cada uno de estos procesos se describió antes, ya sea en este capítulo o en el anterior. Sinterizado  Aunque es posible sinterizar WC y TiC sin un metal aglutinante, el material resultante poseerá algo menos de 100% de la densidad real. La utilización de un aglutinante proporciona una estructura que virtualmente carece de porosidad. El sinterizado de WC-Co implica el sinterizado en fase líquida (sección 10.3.5). El proceso se explica con el diagrama de fase binario para estos constituyentes en la figura 11.9. En el diagrama se identifica el rango de composición típica para los productos comerciales de carburo cementado. Las temperaturas típicas de sinterizado para WC-Co se encuentran entre 1 370 a 1 425 °C (2 500 a 2 600 °F), las cuales están debajo del punto de fusión del cobalto, que es 1 495 °C (2 716 °F). Por consiguiente, el metal aglutinante puro no funde a la temperatura de sinterizado. Sin embargo, como muestra el diagrama de fase, el WC se disuelve en el Co en el estado sólido. Durante el tratamiento por calor, el WC se disuelve gradualmente dentro de la fase gamma y su punto de fusión se reduce, de tal forma que finalmente el metal se funde. A medida que se forma la fase líquida, ésta fluye y empapa las partículas de WC, y además disuelve el sólido. La presencia del metal fundido también sirve para remover gases de las regiones internas de la compactación. Estos mecanismos se combinan para efectuar un rearreglo entre las partículas remanentes de WC, lo cual produce un empaquetamiento más compacto, y a su vez también una densificación y una contracción significativas de la masa del WC-Co. Luego, durante el enfriado en el ciclo de sinterizado, el carburo disuelto se precipita y se deposita dentro de los cristales ya existentes, para formar una estructura de WC coherente, la cual es embebida completamente por el aglutinante de Co. Operaciones secundarias  Se requieren procesamientos subsecuentes después del sinterizado

para lograr un control dimensional adecuado de las piezas de carburo cementado. El rectificado con ruedas abrasivas de diamante es la operación secundaria más común desempeñada para este propósito. Otros procesos usados para darles la forma a los carburos cementados duros incluyen el maquinado con descarga eléctrica y el maquinado ultrasónico, dos procesos de remoción de material no tradicionales que se analizan en el capítulo 19.

11.4  Consideraciones para el diseño de productos   243

11.3.2  Otros cermets y compósitos de matriz de cerámico Además de los carburos cementados, otros cermets se basan en óxidos cerámicos como el Al2O3 y MgO. El cromo es un aglutinante metálico común que se usa en estos materiales compósitos. Las proporciones de cerámico a metal cubren un rango más amplio que el de los carburos cementados, en algunos casos el metal es el principal ingrediente. Estos cermets se transforman en productos útiles mediante los mismos métodos para dar forma que son usados para los carburos cementados. La tecnología común de los compósitos de matriz de cerámico (sección 2.4.2) incluye materiales cerámicos (por ejemplo, Al2O3, BN, Si3N4 y vidrio) reforzados con fibras de carbono, SiC o Al2O3. Si las fibras son triquitas (fibras que consisten en un monocristal), estos CMC pueden procesarse por métodos particulados que se usan para los nuevos cerámicos (sección 11.2).

11.4  Consideraciones para el diseño de productos Si la aplicación es correcta los materiales cerámicos tienen propiedades especiales que los hacen atractivos para los diseñadores. Las siguientes recomendaciones para el diseño, recopiladas por Bralla [2] y otras fuentes, se aplican a los materiales cerámicos tanto tradicionales como a los nuevos, aunque es más probable que los diseñadores encuentren oportunidades para los nuevos cerámicos en productos de ingeniería. En general, estos mismos lineamientos se aplican para carburos cementados. • Los materiales cerámicos son varias veces más resistentes a la compresión que a la tensión, los componentes deben diseñarse para soportar esfuerzos de compresión, más no esfuerzos de tensión. • Los materiales cerámicos son frágiles y casi no poseen ductilidad. Las piezas de material cerámico no deben usarse en aplicaciones que impliquen cargas de impacto o altos esfuerzos que puedan causar fractura. • Aunque muchos procesos para dar forma a los cerámicos permiten geometrías complejas, es deseable mantener formas simples por razones económicas y técnicas. Deben evitarse perforaciones profundas, canales y muescas, así como grandes proyecciones en voladizo. • Los bordes exteriores y las esquinas deben contener radios o chaflanes, y las esquinas inferiores deben ser redondeadas. Estos reglamentos se violan, por supuesto, en las aplicaciones para herramientas de corte, en los cuales los filos cortantes deben ser agudos para que puedan funcionar. Los filos de corte se fabrican frecuentemente con radios o chaflanes muy pequeños para protegerlos del despostillado microscópico que puede conducir a fallas. • La contracción de la pieza en el secado y cocimiento (para cerámicos tradicionales), y en sinterizado (para cerámicos nuevos) puede ser significativa y el diseñador debe tomarla en cuenta para establecer dimensiones y tolerancias. Esto es principalmente un problema para los ingenieros de manufactura que deben determinar las holguras apropiadas para que las dimensiones finales estén dentro de las tolerancias especificadas. • Se deben evitar las cuerdas en las piezas hechas con material cerámico. Son difíciles de fabricar y no tienen la resistencia adecuada en el servicio después de su fabricación.

244  CAPÍTULO 11  Procesamiento de cerámicos y cermets

Referencias   [1] Bhowmick, A. K. Bradley Pulverizer Company, Allentown, Pennsylvania, comunicación personal, febrero de 1992.  [2] Bralla, J. G. (editor en jefe). Design for Manufacturing Handbook, 2a. ed. McGraw-Hill Book Company, Nueva York, 1999.   [3] Hlavac, J. The Technology of Glass and Ceramics. Elsevier Scientific Publishing Company, Nueva York, 1983.   [4] Kingery, W. D., Bowen, H. K. y Uhlmann, D. R. Introduction to Ceramics, 2a. ed. John Wiley & Sons, Inc., Nueva York, 1995.   [5] Rahaman, M. N. Ceramic Processing. CRC Taylor & Francis, Boca Ratón, Florida, 2007.

  [6] Richerson, D. W. Modern Ceramic Engineering: Properties, Processing and Use in Design, 3a. ed. CRC Taylor & Francis, Boca Ratón, Florida, 2006.   [7] Schwarzkopf, P. y Kieffer, R. Cemented Carbides. The Macmillan Company, Nueva York, 1960.   [8] Singer, F. y Singer, S. S. Industrial Ceramics. Chemical Publishing Company, Nueva York, 1963.   [9] Somiya, S. (ed.). Advanced Technical Ceramics. Academic Press, Inc., San Diego, California, 1989.

Preguntas de repaso   11.1. ¿Cuál es la diferencia entre los materiales cerámicos tradicionales y los nuevos cerámicos desde el punto de vista de las materias primas?   11.2. Mencione los pasos básicos en la secuencia de procesamiento de los cerámicos tradicionales.   11.3. ¿Cuál es la diferencia técnica entre triturado y molienda en la preparación de materias primas para los cerámicos tradicionales?   11.4. Describa el proceso de vaciado deslizante en el procesamiento de los cerámicos tradicionales.   11.5. Mencione y describa brevemente algunos de los métodos de formado plástico que se usan para formar los productos cerámicos tradicionales.   11.6. ¿En qué consiste el proceso de torneado ligero?

  11.7. ¿Cuál es la diferencia entre el prensado seco y el prensado semiseco de las piezas de cerámica tradicional?   11.8. ¿Qué le sucede a un material cerámico cuando se sinteriza?   11.9. ¿Cuál es el nombre del horno que se usa para cocer artículos cerámicos? 11.10. ¿Por qué es importante el secado en el procesamiento de los cerámicos tradicionales, no requerido usualmente en el procesamiento de los nuevos cerámicos? 11.11. ¿En qué consiste el proceso de secado por congelación que se usa para fabricar ciertos polvos de los nuevos cerámicos? 11.12. Describa el proceso del bisturí. 11.13. Mencione algunas recomendaciones de diseño para partes fabricadas con materiales cerámicos.

PARTE IV

Formado de metal y conformado de láminas metálicas

12

Fundamentos del formado de metales

CONTENIDO DEL CAPÍTULO 12.1 12.2

Panorama del formado de metales Comportamiento del material en el formado de metales

12.3 Temperatura en el formado de metales 12.4 Fricción y lubricación en el formado de metales

El formado de metales incluye varios procesos de manufactura en los cuales se usa la deformación plástica para cambiar la forma de las piezas metálicas. La deformación es el resultado del uso de una herramienta que generalmente es un dado o matriz para formar metales, el cual aplica esfuerzos que exceden la resistencia a la fluencia del metal. Por tanto, el metal se deforma para tomar la forma de un dado. El formado de metales domina el tipo de operaciones de formado que se identifican en el capítulo 1 como procesos de deformación (figura 1.3). En general, se aplica el esfuerzo de compresión para deformar plásticamente el metal. Sin embargo, algunos procesos de formado estiran el metal, mientras que otros lo doblan y otros más lo cortan. Para formar exitosamente un metal, éste debe poseer ciertas propiedades. Las propiedades convenientes son por lo general una baja resistencia a la cedencia y alta ductilidad. Estas propiedades las afecta la temperatura. La ductilidad se incrementa y la resistencia a la cedencia se reduce cuando aumenta la temperatura de trabajo. El efecto de la temperatura da lugar a la distinción entre trabajo en frío, trabajo en tibio y trabajo en caliente. La fricción es un factor adicional que afecta el desempeño del formado de metales. En este capítulo se examinarán dichos aspectos, pero primero se da una visión general de los procesos de formado de metales.

12.1  Panorama del formado de metales Los procesos del formado de metales se clasifican en dos categorías básicas: procesos de deformación volumétrica y procesos de conformado de láminas metálicas. Estas dos categorías se cubren en detalle en los capítulos 13 y 14, respectivamente. Cada categoría incluye diferentes tipos de operaciones de formado, como se describe brevemente en esta sección.

246  CAPÍTULO 12  Fundamentos del formado de metales

F

F

Rodillo Pieza de trabajo

v

Matriz v

Tejo Matriz b)

FIGURA 12.1  Procesos básicos de deformación volumétrica: a) laminación, b) forjado, c) extrusión y d) estirado. El movimiento relativo en las operaciones se indica por v, y las fuerzas se indican por F. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

F

Rodillo

a) Arieta

Pieza de trabajo v

Pieza de trabajo

v F

F Dado

Dado c)

d)

Procesos de deformación volumétrica  Los procesos de deformación volumétrica se caracterizan por deformaciones significativas y grandes cambios de forma, y la relación entre el área superficial y el volumen de trabajo es relativamente pequeña. El término volumétrico describe a las piezas de trabajo que tienen esta baja relación de área-volumen. La forma del trabajo inicial para estos procesos incluye tochos cilíndricos y barras rectangulares. La operación básica en deformación volumétrica se ilustra en la figura 12.1 como sigue:

• Laminación. Es un proceso de deformación por compresión en el cual el espesor de un planchón o placa se reduce por medio de dos herramientas cilíndricas opuestas llamadas rodillos. Los rodillos giran de manera que alargan la pieza de trabajo dentro de la abertura entre ellos y extendiéndola. • Forjado. En el forjado se comprime una pieza de trabajo entre dos matrices opuestas, de manera que la forma de la matriz se imprima para obtener la pieza forjada requerida. El forjado es un proceso tradicional de trabajo en caliente, pero muchos tipos de forjado se hacen también en frío. • Extrusión. Es un proceso de compresión en el cual se fuerza el metal de trabajo a fluir a través de la abertura de un dado para que tome la forma de la abertura de éste en su sección transversal. • Estirado. En este proceso de formado, el diámetro de un alambrón o barra se reduce cuando se tira del alambrón a través de la abertura del dado. Conformado de láminas metálicas  Los procesos de conformado de láminas metálicas son

operaciones de formado o corte de láminas, tiras y rollos de metal. La razón entre el área superficial y el volumen del material inicial es alta; por lo que esta relación es un medio útil para distinguir la deformación volumétrica de los procesos de láminas metálicas. Prensado es el término que se aplica frecuentemente a las operaciones de láminas metálicas, debido a que las máquinas utilizadas para desempeñar estas operaciones son prensas (se usan también prensas de varios tipos en otros procesos de manufactura). La pieza producida en una operación de laminado metálico se suele llamar estampado.

12.1  Panorama del formado de metales   247

F, v F, v

Dado de embutición

Pisador Punzón Disco de material

Lámina

Matriz Matriz b)

a) F, v

v

Punzón Acción de cortante

Pieza de trabajo Troquel 2)

1) c)

FIGURA 12.2  Operaciones básicas en el conformado de láminas metálicas: a) doblado, b) embutido y c) cizallado; 1) al primer contacto del punzón con la lámina y 2) después del cizallado. La fuerza y el movimiento relativo se indican por F y v. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

Las operaciones de láminas metálicas se ejecutan siempre en frío y, por lo general, se utiliza un juego de herramientas llamadas punzón y matriz o troquel. El punzón es la porción positiva y la matriz es la porción negativa del juego de herramientas. Las operaciones básicas de láminas metálicas se describen en la figura 12.2 y se definen como sigue: • Doblado. El doblado implica la deformación de una lámina metálica o placa para que adopte un ángulo respecto a un eje recto, en la mayoría de los casos. • Embutido. En el conformado de láminas metálicas, el embutido se refiere a la transformación de una lámina plana de metal en una forma hueca o cóncava, como una copa, mediante el ensanchado del metal. Se usa un pisador para mantener fijo el disco, o formato, mientras el punzón empuja la lámina de metal, como se muestra en la figura 12.2b). Para distinguir esta operación del trefilado, o estirado, de barras y alambres, se usan frecuentemente los términos embutido de copa o embutido profundo. • Cizallado. Este proceso parece estar de alguna manera fuera de lugar en nuestra lista de procesos de deformación, debido a que implica más el corte que el formado del metal. En esta operación se corta la pieza usando un punzón y un troquel, como se muestra en la figura 12.2c). Aunque éste no es un proceso de formado se incluye aquí debido a que es una operación necesaria y muy común en el conformado de láminas metálicas. La clasificación del metal formado de láminas metálicas también incluye varios procesos de conformado que no utilizan herramientas de punzón y matrices. Entre éstos se encuentran el formado por estirado, rolado de placa, rechazado y doblado de tubos.

process,ititisisincluded includedhere herebecause becauseititisisaanecessary necessaryand andvery verycommon commonoperation operationin in process, sheetmetalworking. metalworking. sheet Thesheet sheetmetalworking metalworkingclassification classificationalso alsoincludes includesseveral severalshaping shapingprocesses processesthat that The donot notuse usepunch punchand anddie dietooling. tooling.These Theseinclude includestretch stretchforming, forming,roll rollbending, bending,spinning, spinning, do andbending bendingof oftube tubestock. stock. and

248  CAPÍTULO 12  Fundamentos del formado de metales

12.2 Comportamiento MATERIAL BEHAVIOR BEHAVIOR IN METAL METAL FORMING 12.2 MATERIAL IN FORMING 12.2  del material en el formado de metales Considerable insightabout aboutthe the behavior ofmetals metals duringcomprender formingcan can be obtainedfrom from insight behavior of during forming obtained LaConsiderable curva de esfuerzo-deformación ofrece una visión que permite elbe comportamiento the stress–strain curve. The typical stress–strain curve for most metals is divided into an the stress–strain curve. The typical stress–strain curve for most metals is divided into an de los metales durante su formación. La curva típica de esfuerzo-deformación para la mayoría de elastic region and a plastic region (Section 3.1.1). In metal forming, the plastic region is elastic region and a plastic region (Section 3.1.1). In metal forming, the plastic region is of los metales se divide en una región elástica y una región plástica (sección 3.1.1). En el formadoof primary interest because the material plastically and permanently deformed inthese these isisplastically and deformed in de primary un metal,interest la regiónbecause plástica the es dematerial interés primordial debido a permanently que en estos procesos el material processes. processes. se deforma plástica y permanentemente. Thetypical typical stress–strain relationship forelasticidad metalexhibits exhibits elasticity below theyield yield The relationship for aametal elasticity below the La relación típicastress–strain esfuerzo-deformación exhibe por debajo del punto de fluencia, point and strain hardening above it. Figures 3.4 and 3.5 indicate this behavior in linear point and strainpor hardening above it. Figures and Las 3.5 indicate thisy behavior in linear y endurecimiento deformación arriba de dicho3.4 punto. figuras 3.4 3.5 muestran este andlogarithmic logarithmic axes.lineales Inthe theplastic region,the the metal’s behavior expressed bythe theflow flow comportamiento en axes. ejes yplastic logarítmicos. En metal’s la región plástica,isiselexpressed comportamiento del and In region, behavior by curve: metal se expresa por la curva de fluencia: curve:

C12

08/16/2011

14:23:12

Kenn ss¼¼Ke



2), y n donde K =KKcoeficiente de resistencia, MPa (lb/pulg esand el exponente endurecimiento where the strength strength coefficient, MPa (lb/in (lb/in22);); and thedestrain strain hardening where ¼¼ the coefficient, MPa nn isis the hardening porexponent. deformación. Elstress esfuerzo σ y strain lastrain deformación en lacurve curva are de fluencia son eland esfuerzo y exponent. The stress and in the theϵflow flow curve are true stress stress and true real strain. The ss and ee in true true strain. la deformación real.isisLa curva devalid fluencia generalmentethat válida comoaauna relación que behavior define el Theflow flowcurve curve generally validas asaes arelationship relationship that defines metal’s plastic behavior The generally defines metal’s plastic comportamiento plástico de un metalof en eland trabajo endifferent frío. Los valores detemperature K y n para difeincold coldworking. working. Typical values ofKK andnnfor for different metalstípicos atroom room temperature are in Typical values metals at are Page 256 rentes metales a temperatura ambiente se enlistan en la tabla 3.4. listed in Table Table 3.4. listed in 3.4.

Esfuerzo de fluencia  La curva de fluencia describe la relación esfuerzo-deformación en la re-

256

Flow Stress Theelflow flow curve describes the stress–strain stress–strain relationship in the the regionlain in Flow Stress The curve the relationship in gión donde tiene lugar formado deldescribes metal. También indica el esfuerzo de fluencia del region metal, which metal forming takes place. It indicates the flow stress of the metal—the strength which metal forming takes place. It indicates the flow stress of the metal—the strength propiedad de resistencia que determina las fuerzas y la potencia requerida para realizar una opeproperty thatde determines forces and powerrequired requiredto tode accomplish particular forming property that determines forces and power accomplish aaparticular ración particular formado. La gráfica esfuerzo-deformación la figura 3.5 muestra queforming cuanoperation. For most metals at room temperature, the stress–strain plot of Figure 3.5 operation. For most metals at room temperature, the stress–strain plot of Figure 3.5 do la mayoría de los metales se deforma a temperatura ambiente, aumenta su resistencia debido Chapter 12/Fundamentals of Metal Forming indicates that as the metal is deformed, its strength increases due to strain hardening. The indicates that as the metal is deformed, its strength increases due to strain hardening. The al endurecimiento por deformación. El esfuerzo requerido para continuar la deformación debe stress required required to continue continue deformation deformation must beresistencia. increasedEl toesfuerzo match this this increasesein in stress must be increased to match increase incrementarse para to contrarrestar este incremento de la de fluencia strength. Flow stress is defined as the instantaneous value of stress required to continue strength. Flow stress is defined as the instantaneous value of stress required to continue define como el valor instantáneo del esfuerzo requerido para continuar la deformación del matedeforming the material—to keep thees metal ‘‘flowing.’’ theyield yield strength of themetal metal material—to keep the metal ‘‘flowing.’’ ItItcedencia isisthe the rialdeforming o mantenerthe “fluyendo” al metal. Ésta la resistencia a la delstrength metal enof función de as a function of strain, which can be expressed: as a functionque of strain, which cancomo: be expressed: la deformación, puede expresarse

Kenn YYf f ¼¼Ke

(12.1) (12.1) (12.1)

2 22 donde Yf = fluencia, MPa (lb/pulg ¼flow flowde stress, MPa (lb/in where stress, MPa (lb/in ).). ). where YYfesfuerzo f¼ En las de formado individual quediscussed se revisarán losfollowing dos capítulos se Inoperaciones theindividual individual forming operations discussed inen the following twosiguientes, chapters,the the In the forming operations in the two chapters, FIGURE 12.3 Stress–strain curve indicating puede usar el esfuerzo de fluencia instantáneo para analizar la secuencia del proceso. Por ejeminstantaneous flow stress can be used to analyze the process as it is occurring. For instantaneous flow stress can be used to analyze the process as it is occurring. For location of average flowde stress Ysef in relation plo, en ciertas operaciones forja puede determinar la fuerza force instantánea durante la compreexample, in certain forging operations, theinstantaneous instantaneous forceduring during compression can example, in certain forging operations, compression can to yield strength Y and final flow stress Yf.the sión a partir de los valores del esfuerzo de fluencia. La fuerza máxima se calcula basándose en el be determined from the flow stress value. Maximum force can be calculated based on the be determined from the flow stress value. Maximum force can be calculated based on the (Credit: Fundamentals of Modern esfuerzo de fluencia que resulta del esfuerzo al final de la end carrera de laforging forja. stroke. th flow stress that results from the final strain at the end of the forging stroke. flow stress that results from the final strain at the of the Manufacturing, 4 Edition by Mikell P. En otros casos, el análisis se basa is en los promedios de esfuerzos y deformaciones que occur ocuIn2010. other cases, thewith analysis isbased based onthe theaverage average stresses andstrains strainsthat that occur In other cases, the analysis stresses and Groover, Reprinted permission ofon rren durante el mismo proceso de deformación, en lugar de los valores instantáneos. La extrusión during deformation rather than than instantaneous instantaneous values. values. Extrusion Extrusion represents represents this this case, case, during deformation rather John Wiley & Sons, Inc.) representa este caso, figura 12.1c). consecuencia de la extrusión, la sección transversal Figure12.1(c). 12.1(c). As thebillet billetisisComo reduced incross crosssection section topass passthrough through the extrusiondel die Figure As the reduced in to the extrusion die tocho se reduce el metal se endurece gradualmente por deformación paravalue. alcanzar un valor opening, theymetal metal gradually strain hardens to to reach reach maximum value. Rather than opening, the gradually strain hardens aa maximum Rather than máximo. Es útil proceso base en el esfuerzo fluencia promedio durante la determine sequence ofel instantaneous stress–strain values duringuseful the reduction, which would be más not onlyanalizar difficult but alsocon of limited interest, itde is during more to analyze the determine aasequence of instantaneous stress–strain values the reduction, which deformación, que determinar una secuencia de valores instantáneos de esfuerzo-deformación process based on the average flow stress during deformation. durante la reducción, que no solamente sería difícil obtener, sino de limitado interés.

Average Stress The average flowdestress (alsopromedio called the mean flow stress) is the Esfuerzo deFlow fluencia promedio  El esfuerzo fluencia (también llamado esfuerzo of stress over promedio the stress–strain curve from the la beginning of strain to the final deaverage fluenciavalue medio) es el valor de los esfuerzos sobre curva esfuerzo-deformación (maximum) value that occurs during deformation. The value is illustrated in the stress– desde el comienzo de la deformación hasta el valor final (máximo) que ocurre durante este prostrain plot of Figure 12.3. The average flow stress is determined by integrating the flow curve ceso. El valor se ilustra en la gráfica esfuerzo-deformación de la figura 12.3. El esfuerzo de equation, Eq. (12.1), betweenintegrando zero and the final strain defining the range of interest. fluencia promedio se determina la ecuación de value la curva de fluencia (ecuación 12.1) Thiscero yields equation: entre y el the valor final de deformación que define el rango de interés. Esto genera la ecuación

Yf ¼

Ken (12.2) (12.2) 1þn

where Y f ¼ average flow stress, MPa (lb/in2); and e ¼ maximum strain value during the deformation process. We make extensive use of the average flow stress in our study of the bulk deformation processes in the following chapter. Given values of K and n for the work material, a method of computing final strain will be developed for each process. Based on this strain, Eq. (12.2)

(Credit: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4th Edition by Mikell P. Groover, 2010. Reprinted with permission of John Wiley & Sons, Inc.)

Ken

Esfuerzo real

FIGURE 12.3 Stress–strain curve indicating location of average flow stress Y f in relation strength Y and stress Yinterest, would to beyield not only difficult butfinal alsoflow of limited it isTemperatura more useful analyzede the 12.3  ento el formado metales   249 f. process(Credit: based Fundamentals on the averageofflow stress during deformation. Modern Manufacturing, 4th Edition by Mikell P. Average Flow Stress The average flow stress (also Groover, 2010. Reprinted with permission of called theσ mean flow stress) is the average value of stress overInc.) the stress–strain curve from the beginning of strain to the final John Wiley & Sons, (maximum) value that occurs during deformation. The value is illustrated in the stress– f strain plot of Figure 12.3. The average flow stress is determined by Yintegrating the flow curve Yf it the equation, Eq. be (12.1), zero and final value defining range useful of interest. would notbetween only difficult butthe also ofstrain limited interest, is more to analyze the This yields the equation: process based on the average flow stress during deformation. Y

Average Flow Stress The average stress) is the Y f ¼ flow stress (also called the mean flow (12.2) FIGURA 12.3  Curva de esfuerzo-deformación 1 þ n que average value of stress over the stress–strain curve from the beginning of strain to the final indica la localización del esfuerzo de fluencia promedio 2 deformation. The value is illustrated in the stress– (maximum) value that occurs during , enaverage relaciónflow con lastress, resistencia la cedencia el maximum strain value during the where Y f ¼ MPaa(lb/in ); andY ey ¼ strain plot Figure 12.3. average flow stress esfuerzo de of fluencia final Yf . The (Crédito: Fundamentals of is determined by integrating the flow curve deformation process. equation, Eq. (12.1), and the final strain value defining the range of interest. Modern 4a. ed.,average de zero Mikell P. Groover, We makeManufacturing, extensive usebetween of the flow stress in our study of the bulk deformation This the con equation: 2010. Reimpreso autorización de John Wiley processes inyields the following chapter. Given values of K&and n for the work material, a method real Sons, Inc.) of computing final strain will be developed for each process.n Based on thisDeformación strain, Eq. (12.2) Ke can be used to determine the average flow stress Y f to¼which the metal is subjected during 1þn the operation.

12.3

(12.2)

2 donde Y f ¼ = average esfuerzo de fluencia MPa y ϵ = máximo valor de deformación where flow stress,promedio, MPa (lb/in ); (lb/pulg and e ¼2),maximum strain value during the durante el proceso de deformación. deformation process. el capítulo siguiente se of hace uso extenso del esfuerzo de fluencia en el estuWe make extensive use theun average flow stress in our study of thepromedio bulk deformation TEMPERATUREEnIN METAL FORMING dio de los in procesos de deformación volumétrica. los nvalores K y material, n para el amaterial processes the following chapter. Given valuesDados of K and for thede work methodde trabajo, se desarrollará un método de cálculo de la deformación final para cada proceso. Con of computing final strain will be developed for each process. Based on this strain, Eq. (12.2) The flow curve is a valid representation of stress–strain behavior of a metal during plastic base en esta deformación se puede usar la ecuación (12.2) para determinar el esfuerzo de fluencia can be used to determine the average flow stress to which the metal is subjected during deformation, particularly for cold working operations. For any metal, the values of K and promedio al que se somete el material durante la operación. the operation. n depend on temperature. Strength and strain hardening are both reduced at higher

12.3 

12.3

temperatures. These property changes are important because they result in lower forces and power during forming. In addition, ductility is increased at higher temperatures, which allows greater plastic deformation of the work metal. Three temperature ranges Temperatura en el formado de metales used in metal forming can be distinguished: cold, warm, and hot working.

TEMPERATURE IN METAL FORMING

La curva de fluencia es una representación válida del comportamiento esfuerzo-deformación de

Cold Working Cold working (also known as cold forming) is metal forming performed The flowdurante curve issua deformación valid representation particularmente of stress–strain behavior of a metal during plastic untemperature metal operaciones de trabajo en frío. Para at room or slightly above. plástica, Significant advantages ofen cold forming compared deformation, particularly for cold working operations. For any metal, the values of K and cualquier metal, los valores de K y n dependen de la temperatura. Tanto la resistencia como el to hot working are (1) greater accuracy, meaning closer tolerances can be achieved; n depend on temperature. Strength and strain hardening are both reduced at higher endurecimiento por deformación se reducen a altas temperaturas. Estos cambios en la propiedad (2) better surface finish; (3) higher strength and hardness of the part due to strain

temperatures. changes are fuerzas important becausemás theybajas result in lower forces son importantesThese porqueproperty dan como resultados y potencias durante el formado. and power during forming. In addition, ductility is increased at higher temperatures, Además, la ductilidad se incrementa a altas temperaturas, lo que permite una mayor deformación which greater plasticEsdeformation of the metal. Three temperature plásticaallows del metal de trabajo. posible distinguir treswork rangos de temperatura usados en elranges formaused metal trabajo forming distinguished: warm, andencima hot working. do de in metales: encan frío,be caliente por debajocold, (en tibio) o por del punto de recristalización (en caliente). Cold Working Cold working (also known as cold forming) is metal forming performed Trabajo en frío  El trabajo en frío, también conocido como formado en frío, es el formado de at room temperature or slightly above. Significant advantages of cold forming compared metal que se realiza a temperatura ambiente o ligeramente arriba. Las ventajas significativas del to hot working are (1) greater accuracy, meaning closer tolerances can be achieved; formado en frío comparado con el trabajo en caliente son: 1) proporcionar mejor precisión, lo que (2) better surface finish; (3) higher strength and hardness of the part due to strain significa tolerancias más estrechas, 2) mejorar el acabado de la superficie, 3) resistencia y dureza más altas de la pieza debido al endurecimiento por deformación, 4) el flujo de granos durante la deformación brinda la oportunidad de obtener propiedades direccionales convenientes en el producto resultante y 5) al no requerir calentamiento del trabajo se ahorran costos de horno y combustible y permite lograr mayores velocidades de producción. Debido a esta combinación de ventajas, muchos procedimientos de formado en frío se han vuelto operaciones importantes de producción en masa. Estos procedimientos proporcionan tolerancias estrechas y buenas superficies, minimizando la cantidad de maquinado de modo que estos procedimientos pueden clasificarse como procesos de forma neta o casi neta (sección 1.2.1). Hay ciertas desventajas o limitaciones asociadas con las operaciones de formado en frío: 1) se requiere mayores potencia y fuerzas para desempeñar las operaciones, 2) se debe tener cuidado para asegurar que las superficies de la pieza de trabajo inicial están libres de incrustaciones y suciedad, 3) la ductilidad y el endurecimiento por deformación del metal de trabajo limitan la cantidad de formado que se puede hacer sobre la pieza. En algunas operaciones debe recocerse el

250  CAPÍTULO 12  Fundamentos del formado de metales

metal (sección 20.1) para permitir deformaciones posteriores. En otros casos el metal no es lo suficientemente dúctil para ser trabajado. Para superar el problema de endurecimiento por deformación y reducir los requerimientos de fuerza y potencia, muchas operaciones de formado se ejecutan a temperaturas elevadas. Se involucran dos rangos de temperaturas elevadas que dan lugar a los términos trabajo en caliente por debajo (en tibio) y por encima de la temperatura de recristalización (en caliente). Trabajo en tibio  Debido a que las propiedades de deformación plástica se mejoran normalmente con el aumento de la temperatura en la pieza de trabajo, las operaciones de formado se realizan algunas veces a temperaturas algo más elevadas que la temperatura ambiente, pero por debajo de las temperaturas de recristalización. Se aplica el término trabajo en tibio a este segundo rango de temperatura. La línea divisoria entre el trabajo en tibio y el trabajo en frío se expresa frecuentemente en términos del punto de fusión del metal. La línea divisoria usual es de 0.3 Tm, donde Tm es el punto de fusión del metal particular (temperatura absoluta). Menores resistencia y endurecimiento por deformación a temperaturas intermedias, así como la mayor ductilidad del metal, confieren al trabajo en tibio las siguientes ventajas sobre el trabajo en frío: 1) fuerzas más bajas y menores requerimientos de potencia, 2) son posibles trabajos más intrincados, 3) se puede eliminar o reducir la necesidad de recocido. Trabajo en caliente  El trabajo en caliente (también llamado formado en caliente) implica la

deformación a temperaturas por encima de la temperatura de recristalización (sección 3.3). La temperatura de recristalización de un metal es aproximadamente la mitad de su punto de fusión en la escala absoluta. En la práctica, el trabajo en caliente se lleva a cabo usualmente a temperaturas por encima de 0.5 Tm. El metal de trabajo se reblandece más conforme la temperatura se incrementa más allá de 0.5 Tm, mejorando así la ventaja del trabajo en caliente por arriba de este nivel. Sin embargo, el proceso de deformación genera el calor que incrementa la temperatura de trabajo en algunas regiones de la pieza. Esto puede causar la fusión en estas regiones, lo cual es altamente indeseable. La formación de escamas (cascarilla) en la superficie de trabajo se acelera también a temperaturas más altas. Por consiguiente, las temperaturas de trabajo en caliente se mantienen normalmente dentro del rango de 0.5 Tm a 0.75 Tm. La ventaja más significativa del trabajo en caliente es la capacidad de producir deformaciones plásticas sustanciales del metal, más de las que son posibles con el trabajo en frío. La razón principal es que la curva de fluencia del metal trabajado en caliente tiene un coeficiente de resistencia sustancialmente menor que a temperatura ambiente, el exponente de endurecimiento por deformación es cero (al menos en teoría), y la ductilidad del metal se incrementa de manera significativa. Todo esto da por resultado las siguientes ventajas respecto al trabajo en frío: 1) la forma de la pieza de trabajo se puede alterar de manera significativa, 2) se requiere menor fuerza y potencia para deformar el metal, 3) los metales que usualmente se fracturan en el trabajo en frío, pueden formarse en caliente, 4) las propiedades de resistencia son generalmente isotrópicas debido a la ausencia de una estructura orientada de granos que se crea en el trabajo en frío, 5) el trabajo en caliente no produce fortalecimiento de la pieza. Esta última ventaja puede parecer inconsistente, porque el aumento en la resistencia del metal se considera frecuentemente una ventaja del trabajo en frío. Sin embargo, hay aplicaciones en las cuales es indeseable que el metal se endurezca por trabajo debido a que reduce su ductilidad, por ejemplo, cuando la pieza tiene que procesarse posteriormente en frío. Sus desventajas son: 1) precisión dimensional más baja, 2) mayores requerimientos de energía (energía térmica para calentar la pieza de trabajo), 3) oxidación de la superficie de trabajo (incrustaciones), 4) acabado superficial más deficiente y 5) menor duración en la vida de las herramientas. La recristalización del metal en el trabajo en caliente involucra difusión atómica, proceso que depende del tiempo. Las operaciones de formado del metal se desempeñan frecuentemente a altas velocidades que no dejan tiempo suficiente para completar la recristalización de la estructura granular durante el ciclo de deformación. Sin embargo, debido a las altas temperaturas, la recristalización ocurre a la larga, ya sea inmediatamente después del proceso de formado o más tarde, al enfriarse la pieza de trabajo. Aun si la recristalización ocurre después de la verdadera deformación, su ocurrencia final junto con el reblandecido sustancial del metal a altas temperaturas es la característica que distingue al trabajo en caliente del trabajo en tibio o en frío.

12.4  Fricción y lubricación en el formado de metales   251

Formado isotérmico  Ciertos metales, como los aceros altamente aleados, muchas aleaciones de titanio y las aleaciones de níquel para altas temperaturas, poseen buena dureza en caliente, propiedad que los hace útiles para el uso a altas temperaturas. Y aunque dichas propiedades los hacen atractivos para estas aplicaciones, también los hace difíciles de formar por métodos convencionales. El problema es que cuando estos metales se calientan a las temperaturas de trabajo en caliente y entran en contacto con las herramientas de formado relativamente frías, el calor es transferido de manera rápida fuera de la superficie de la pieza, elevando la resistencia en estas regiones. La variación en la temperatura y la resistencia en diferentes regiones de la pieza de trabajo producen patrones de flujo irregular en el metal durante la deformación, esto conduce a la formación de esfuerzos residuales y al posible agrietamiento superficial. El formado isotérmico se refiere a las operaciones de formado que se llevan a cabo de tal manera que eliminan el enfriamiento superficial y los gradientes térmicos resultantes en la pieza de trabajo. Se realiza por precalentamiento de las herramientas que entran en contacto con la pieza a la misma temperatura de trabajo del metal. Esto desgasta las herramientas y reduce la vida, pero evita los problemas descritos cuando los metales difíciles se forman por métodos convencionales. En algunos casos el formado isotérmico representa la única forma en que pueden formarse estos materiales de trabajo. El procedimiento de asocia más estrechamente con el forjado y en el capítulo siguiente se revisará el formado isotérmico.

12.4  Fricción y lubricación en el formado de metales La fricción en el formado de metales surge debido al estrecho contacto entre las superficies de la herramienta y el material de trabajo, y a las altas presiones que soportan las superficies en estas operaciones. En la mayoría de los procesos de formado, la fricción es inconveniente por las siguientes razones: 1) retarda el flujo del metal en la pieza de trabajo, ocasionando esfuerzos residuales y algunas veces defectos del producto, 2) se incrementan las fuerzas y la potencia para desempeñar la operación y 3) el desgaste de las herramientas puede conducir a la pérdida de la precisión dimensional, lo cual da por resultado piezas defectuosas y el reemplazo de los herramentales. Como los herramentales para formado de metales son generalmente costosas, su desgaste es de la mayor importancia. La fricción y el desgaste de los herramentales son más severos en el trabajo en caliente, debido a las condiciones más rudas. La fricción en el formado de metales es diferente a la que se encuentra en la mayoría de los sistemas mecánicos, como trenes de engranajes, flechas, cojinetes y otros componentes que involucran un movimiento relativo entre las superficies. Estos casos se caracterizan generalmente por bajas presiones de contacto, temperaturas entre bajas y moderadas, y una lubricación amplia para el contacto entre los metales. Por el contrario, las condiciones en el formado de metales representan presiones altas entre la superficie dura de la herramienta y la pieza de trabajo blanda, deformación plástica del material más blando y altas temperaturas (al menos en el trabajo en caliente). Estas condiciones pueden generar coeficientes de fricción relativamente altos en el metal de trabajo, incluso con la adición de lubricantes. Los valores típicos del coeficiente de fricción para las tres categorías de formado de metales aparecen en la tabla 12.1. Si el coeficiente de fricción llega a ser lo suficientemente grande ocurre una condición conocida como adherencia. La adherencia en el trabajo de metales (también llamada fricción por

TABLA 12.1  Valores típicos de la temperatura (relativos al punto de fusión Tm) y el coeficiente de fricción en trabajo en frío, en tibio y en caliente Categoría Trabajo en frío Trabajo en tibio Trabajo en caliente Recopilada de varias fuentes.

Rango de temperatura ≤0.3 Tm 0.3 Tm - 0.5 Tm 0.5 Tm - 0.75 Tm

Coeficiente de fricción 0.1 0.2 0.4-0.5

252  CAPÍTULO 12  Fundamentos del formado de metales

adherencia) es la tendencia de las dos superficies en movimiento relativo a pegarse una a la otra en lugar de deslizarse. Esto significa que el esfuerzo de fricción entre las superficies excede al esfuerzo de fluencia cortante del metal de trabajo, ocasionando que el metal se deforme por un proceso de corte por debajo de la superficie, en lugar de que ocurra un deslizamiento entre las superficies. La adherencia ocurre en las operaciones de formado de metal y es un problema prominente en la laminación; se estudia en ese contexto en el capítulo siguiente. Los lubricantes para el trabajo de los metales se aplican en la interfaz herramienta-trabajo en muchas operaciones de formado para reducir los perjudiciales efectos de la fricción. Los beneficios que se obtienen de su aplicación incluyen una reducción en la adherencia, en las fuerzas, en la potencia y en el desgaste de las herramientas, así como un mejor acabado de la superficie en el producto final. Los lubricantes tienen también otras funciones como reducir el calor en las herramientas. Las consideraciones para escoger un lubricante apropiado para el trabajo de metales incluyen 1) el tipo de procesos de formado que se va a utilizar (rolado, forjado, estirado de lámina metálica u otros), 2) si es trabajo en caliente o en frío, 3) el material de trabajo, 4) la reactividad química con la herramienta y con los metales de trabajo (por lo general, es deseable que los lubricantes se adhieran a las superficies para que sean más efectivos en la reducción de la fricción), 5) facilidad de aplicación, 6) toxicidad, 7) inflamabilidad y 8) costo. Los lubricantes usados para operaciones de trabajo en frío incluyen aceites minerales, grasas y aceites grasos, emulsiones en agua, jabones y otros recubrimientos [4], [7]. El trabajo en caliente se realiza algunas veces en seco para ciertas operaciones y materiales (por ejemplo, el laminado en caliente del acero y la extrusión de aluminio). Cuando los lubricantes se usan para trabajo en caliente incluyen aceites minerales, grafito y vidrio. El vidrio fundido se convierte en un lubricante efectivo para la extrusión en caliente del acero. El grafito contenido en agua o aceite mineral es un lubricante común para el forjado en caliente de varios materiales de trabajo. En las referencias [7] y [9] se encuentran tratamientos más detallados de lubricación en el trabajo de metales.

Referencias   [1] Altan, T. Oh, S.-I. y Gegel, H. L. Metal Forming: Fundamentals and Applications. ASM International, Materials Park, Ohio, 1983.   [2] Cook, N. H. Manufacturing Analysis, Addison-Wesley Publishing Company, Inc., Reading, Massachusetts, 1966.   [3] Hosford, W. F. y Caddell, R. M. Metal Forming: Mechanics and Metallurgy, 3a. ed. Cambridge University Press, Cambridge, Reino Unido, 2007.   [4] Lange, K., Handbook of Metal Forming. Society of Manufacturing Engineers, Dearborn, Michigan, 2006.   [5] Lenard, J. G. Metal Forming Science and Practice. Elsevier Science, Amsterdam, Holanda, 2002.

 [6] Mielnik, E. M. Metalworking Science and Engineering. McGraw-Hill, Inc., Nueva York, 1991.   [7] Nachtman, E. S. y Kalpakjian, S. Lubricants and Lubrication in Metalworking Operations. Marcel Dekker, Inc. Nueva York, 1985.   [8] Wagoner, R. H. y Chenot, J. L. Fundamentals of Metal Forming. John Wiley & Sons, Inc., Nueva York, 1997.   [9] Wick, C., et al. (eds.). Tools and Manufacturing Engineers Handbook. 4a. ed., vol. II, Forming. Society of Manufacturing Engineers, Dearborn, Michigan, 1984.

Preguntas de repaso   12.1. ¿Cuáles son las características que distinguen a los procesos de deformación volumétrica de los procesos con láminas metálicas?   12.2. La extrusión es un proceso fundamental del formado. Descríbala.   12.3. ¿Por qué se usa con frecuencia el término prensado para los procesos con láminas metálicas?   12.4. ¿Cuál es la diferencia entre el embutido profundo y el trefilado de barras?

  12.5. Indique la ecuación matemática para la curva de fluencia.   12.6. ¿Cómo afecta el incremento de temperatura a los parámetros de la ecuación de la curva de fluencia?   12.7. Indique algunas de las ventajas del trabajo en frío respecto al trabajo en tibio y en caliente.   12.8. ¿Qué es el formado isotérmico?   12.9. ¿Por qué es indeseable la fricción en las operaciones del formado de metales? 12.10. ¿Qué es la fricción por adherencia en el trabajo de metales?

Problemas  253

Problemas   12.1. Los parámetros para cierto metal son: coeficiente de resistencia igual a 550 MPa y exponente de endurecimiento por deformación de 0.22. Durante una operación de formado, la deformación real final que experimenta el metal es de 0.85. Determine el esfuerzo de fluencia a esta deformación y el esfuerzo de fluencia promedio que experimenta el metal durante la operación.   12.2. Un metal tiene una curva de fluencia con los parámetros, coeficiente de resistencia de 850 MPa y exponente de endurecimiento por deformación de 0.30. Una probeta de metal en tensión con longitud de calibración de 100 mm se estira a una longitud de 157 mm. Determine el esfuerzo de fluencia a esta nueva longitud y el esfuerzo de fluencia promedio al que se sometió el metal durante la deformación.   12.3. Un metal tiene una curva de fluencia con los siguientes parámetros, coeficiente de resistencia de 35 000 lb/pulg2 y exponente de endurecimiento por deformación de 0.26. Una probeta en tensión de metal con longitud de calibración de 2.0 pulg se estira a una longitud de 3.3 pulg. Determine el esfuerzo de fluencia a esta nueva longitud y el esfuerzo de fluencia promedio al que se sometió el metal durante la deformación.   12.4. El coeficiente de resistencia y el exponente de endurecimiento por deformación de cierto material de prueba son 40 000 lb/pulg2 y 0.19, respectivamente. Una probeta cilíndrica del metal con diámetro inicial de 2.5 pulg y una longitud de 3.0 pulg se comprime a una longitud de 1.5 pulg. Determine el esfuerzo de fluencia a la nueva longitud, y el esfuerzo de fluencia promedio al que se ha sometido el metal durante la deformación.   12.5. Para cierto metal, el coeficiente de resistencia es de 700 MPa y el exponente de endurecimiento por deformación es

  12.6.

  12.7.

  12.8.

  12.9.

de 0.27. Determine el esfuerzo de fluencia promedio que experimenta el metal si se somete a un esfuerzo igual a su coeficiente de resistencia K. Determine el valor del exponente de endurecimiento por deformación para un metal que ocasionará que el esfuerzo de fluencia promedio sea 3/4 del esfuerzo de fluencia final después de la deformación. El coeficiente de resistencia es de 35 000 lb/pulg2 y el exponente de endurecimiento por deformación es de 0.40 para un metal que se usa en una operación de formado, en la cual la pieza de trabajo reduce el área de su sección transversal por estirado. Si el esfuerzo de fluencia promedio sobre la pieza es de 20 000 lb/pulg2, determine la cantidad de reducción de área de la sección transversal que experimenta la pieza. En una prueba de tensión, dos pares de valores de esfuerzo y deformación se midieron para una muestra de metal más allá de la cedencia: 1) esfuerzo real de 217 MPa y deformación real de 0.35 y 2) esfuerzo real de 259 MPa y deformación real de 0.68. Con base en esta información, determine el coeficiente de resistencia y el exponente de endurecimiento por deformación. Los valores de esfuerzo y deformación siguientes se midieron en la región plástica durante una prueba de tensión llevada a cabo con un nuevo metal experimental: 1) esfuerzo real de 43 608 lb/pulg2 y deformación real de 0.27 pulg/ pulg, y 2) esfuerzo real de 52 048 lb/pulg2 y deformación real de 0.85 pulg/pulg. Con base en esta información, determine el coeficiente de resistencia y el exponente de endurecimiento por deformación.

13

Procesos de deformación volumétrica en el trabajo de metales

CONTENIDO DEL CAPÍTULO 13.1 Laminación 13.1.1  Laminación plana y su análisis 13.1.2  Laminación de perfiles 13.1.3  Molinos laminadores 13.1.4 Otros procesos de deformación relacionados con el laminado 13.2 Forjado 13.2.1  Forjado en dado abierto 13.2.2  Forjado con dado impresor 13.2.3  Forjado sin rebaba 13.2.4  Dados de forjado, martinetes y prensas

13.2.5 Otros procesos relacionados con el forjado 13.3 Extrusión 13.3.1  Tipos de extrusión 13.3.2  Análisis de la extrusión 13.3.3  Dados y prensas de extrusión 13.3.4  Otros procesos de extrusión 13.3.5  Defectos en productos extruidos 13.4 Trefilado de alambres y barras 13.4.1  Análisis del trefilado 13.4.2  Práctica del trefilado

Los procesos de deformación descritos en este capítulo realizan un cambio significativo en las piezas del metal cuya forma inicial es más voluminosa que laminar. Las formas iniciales incluyen palanquillas y tochos cilíndricos, tochos rectangulares y planchones, así como otras formas similares elementales. Los procesos de deformación volumétrica refinan las formas originales, algunas veces mejoran las propiedades mecánicas, y siempre adicionan un valor comercial al producto. El trabajo de los procesos de deformación consiste en someter el metal a un esfuerzo suficiente para hacer que éste fluya plásticamente y tome la forma deseada. Los procesos de deformación volumétrica se realizan en operaciones de trabajo en frío, en tibio o en caliente. El trabajo en frío o en tibio, debajo de la temperatura de cristalización, es apropiado cuando el cambio de forma es menos severo y hay necesidad de mejorar las propiedades mecánicas, o se requiere alcanzar un buen acabado en la pieza final. El trabajo en caliente generalmente involucra la deformación volumétrica de grandes piezas de trabajo. La importancia tecnológica y comercial de los procesos de deformación volumétrica surge a partir de lo siguiente: • Con las operaciones de trabajo en caliente se pueden lograr cambios significativos en la forma de las piezas de trabajo. • Las operaciones de trabajo en frío se pueden usar no solamente para dar forma al producto, sino también para incrementar su resistencia mediante el endurecimiento por deformación. • Estos procesos producen poco o ningún desperdicio como subproducto de la operación. Algunas operaciones de deformación volumétrica son procesos de forma neta o casi neta; así, la forma final se alcanza con poco o ningún maquinado posterior. Los cuatro procesos básicos de deformación volumétrica son: 1) laminación, 2) forjado, 3) extrusión y 4) trefilado de alambre y barras. El capítulo también documenta algunas de las operaciones afines a estos cuatro procesos básicos.

13.1 Laminación  255

13.1 Laminación La laminación es un proceso de deformación en el cual el espesor del material de trabajo se reduce mediante fuerzas de compresión ejercidas por dos rodillos opuestos. Los rodillos giran, como se ilustra en la figura 13.1, para jalar del material del trabajo y simultáneamente extenderlo entre ellos. El proceso básico ilustrado en la figura es la laminación plana, que se usa para reducir el espesor de una sección transversal rectangular. Un proceso estrechamente relacionado es la laminación de perfiles, en el cual una sección transversal cuadrada se transforma en un perfil tal como en una viga en I. La mayoría de los procesos de laminación involucran una alta inversión de capital y requieren piezas de equipo pesado llamadas molinos laminadores o de laminación. El alto costo de inversión requiere que los molinos se usen para producción en grandes cantidades de artículos estándar como láminas y placas. La mayoría de la laminación se realiza en caliente debido a la gran cantidad de deformación requerida, y se le llama laminado en caliente. Los metales laminados en caliente están generalmente libres de esfuerzos residuales y sus propiedades son isotrópicas. Las desventajas de la laminación en caliente son que el producto no puede mantenerse dentro de tolerancias adecuadas, y la superficie presenta una capa de óxido característica, o cascarilla. La fabricación de acero representa la aplicación más común de las operaciones de laminación. Se analizará la secuencia de pasos en un molino de laminación para ilustrar la variedad de productos que pueden hacerse. Otras industrias metálicas básicas siguen procesos similares. El trabajo empieza con un lingote de acero fundido recién solidificado. Aún caliente, el lingote se coloca en un horno donde permanece por muchas horas, hasta alcanzar la temperatura uniforme en toda su extensión, para que pueda fluir consistentemente durante el laminado. La temperatura de laminación para el acero es de alrededor de 1 200 °C (2 200 °F). La operación de calentamiento se denomina recalentado, o empape, y los hornos en los cuales se lleva a cabo se llaman fosas de recalentamiento. El lingote recalentado pasa al molino de laminación, donde se lamina para convertirlo en una de las tres formas intermedias llamadas tochos, palanquillas o planchones. Un tocho tiene una sección transversal cuadrada de 150 × 150 mm (6 × 6 pulg) o mayor. Un planchón se lamina a partir de un lingote o de un tocho y tiene una sección rectangular de 250 mm (10 pulg) de ancho o más, y un espesor de 40 mm (1.5 pulg o más). Una palanquilla se lamina a partir de un tocho y es cuadrado, con dimensiones de 40 mm (1.5 pulg) por lado o más. Estas formas intermedias se laminan posteriormente para convertirlas en productos finales. Los tochos se laminan para generar perfiles estructurales y rieles para vías férreas. Las palanquillas se laminan para producir barras y varillas. Estas formas son la materia prima para el maquinado, trefilado de alambre, forjado y otros procesos de trabajo de metales. Los planchones se laminan para convertirlos en placas, láminas y tiras. Las placas laminadas en caliente se usan para la construcción de barcos, puentes, calderas, estructuras soldadas para maquinaria pesada, tubos y tuberías, y muchos otros productos. La figura 13.2 muestra algunos de estos productos laminados de acero. El laminado posterior de las placas y láminas trabajadas en caliente se realiza frecuentemente por laminado en frío, a fin de prepararlas para operaciones de trabajo en lámi-

Rodillo FIGURA 13.1  Proceso de laminación, específicamente laminado plano. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.).

Dirección de flujo del material de trabajo

Material de trabajo

C13 08/16/2011 08/16/2011 C13 C13 08/16/2011

16:49:19 Page Page 263 263 16:49:19 16:49:19 Page 263 256  CAPÍTULO 13  Procesos de deformación volumétrica en el trabajo de metales

Forma laminada intermedia

Forma laminada final Perfiles estructurales

Tocho

Planchón FIGURA 13.2  Algunos productos de acero hechos en molino de laminación. (Crédito: FIGURE Fundamentals 13.2 Some Someofof of FIGURE 13.2 Modern Manufacturing, 4a.of FIGURE 13.2 Some the steel products made the steel products made ed., desteel Mikell P. Groover, products made inthe rolling mill. (Credit: in aa rolling mill. (Credit: 2010. Reimpreso con autoin a rolling mill. Fundamentals of(Credit: Fundamentals of rización de John Wiley Fundamentals of & Modern Manufacturing, Modern Manufacturing, Sons, th Inc.) Manufacturing, th Modern

Edition by by Mikell Mikell 44 thEdition 4 Groover, Edition 2010. by Mikell P. Groover, 2010. P. P. Groover, 2010. Reprinted with with Reprinted Reprinted with permission of John John permission of permission ofInc.) John Wiley & Sons, Sons, Inc.) Wiley & Wiley & Sons, Inc.)

Palanquilla

Section 13.1/Rolling 13.1/Rolling Section Section 13.1/Rolling

263 263 263

Rieles

Placas, láminas

Rollos

Barras, varillas

na (capítulo 14). El laminado en frío hace más resistente el metal y permite tolerancias más estrechas del espesor. Además, la superficie del material laminado en frío está libre de incrustaciones o cascarilla y es generalmente superior a los correspondientes productos laminados en caliente. Estas características hacen de las láminas, tiras y rollos laminados en frío el material ideal para sheets, strips, strips, andexteriores, coils ideal idealasí for stampings, exteriorque panels, and other other parts of of products sheets, and coils for stampings, exterior panels, and parts products estampados, paneles como otros productos, van desde automóviles hasta utensheets, from strips, and coils ideal for stampings, exterior panels, and other parts of products ranging from automobiles to appliances and office furniture. ranging automobiles to appliances and office furniture. silios y muebles para oficina. ranging from automobiles to appliances and office furniture.

13.1.1  Laminación y suANALYSIS análisis 13.1.1 FLAT ROLLINGplana AND ITS 13.1.1 FLAT ROLLING AND ITS ANALYSIS El laminado plano se ilustra en las figuras 13.1 y 13.3. Involucra la laminación de planchas, tiras,

Flat rolling rolling is is illustrated illustrated in in Figures Figures 13.1 13.1 and and 13.3. 13.3. It It involves involves the the rolling rolling of of slabs, slabs, strips, strips, Flat Flat rolling is illustrated in Figures 13.1 and 13.3. It involves the rolling of slabs, strips, láminas y placas, piezas de trabajo de sección transversal rectangular con un ancho mayor que el sheets, and plates—workparts of rectangular cross section in which the width is greater sheets, and plates—workparts of rectangular cross section in which the width is greater sheets, and plates—workparts of rectangular cross section in which the width is greater espesor. En el laminado plano se presiona el material de trabajo entre dos rodillos de manera que than the thickness. In flat rolling, the work is squeezed between two rolls so that its than the thickness. In flat rolling, the work is squeezed between two rolls so that its than theesis thickness. In flat rolling, the work is squeezed between two rolls so that its suthickness espesor reducido en una cantidad llamada pase de laminación: thickness is reduced by an amount called the draft: reduced by an amount called the draft: thickness is reduced by an amount called the draft: (13.1) � ttff (13.1) ¼ ttoo � dd ¼ (13.1) d ¼ to � tf (13.1) donde d= pase de laminación, (pulg); tthickness, inicial, tf =thickness, espesor final, ¼ starting starting thickness, mm (in);mm and(pulg); ¼ final final thickness, mm where ¼ draft, mm (in); (in); ttoomm o = espesor ¼ mm (in); and ttff ¼ mm where dd ¼ draft, mm thickness, mm (in); and tf ¼thickness, finaldel thickness, mm where d El ¼is (in); to ¼sestarting mm (pulg). pase demm laminación expresa algunasof como una fracción espesor (in). Draft isdraft, sometimes expressed as aa fraction fraction ofveces the starting stock thickness, called del the (in). Draft sometimes expressed as the starting stock called the (in). Draft is sometimes expressed as a fraction of the starting stock thickness, called the material inicial llamada reducción: reduction: reduction: reduction: dd (13.2) ¼ d (13.2) (13.2) rr ¼ (13.2) r ¼ttoo to where ¼ reduction. reduction. When series of rolling rolling operations are used, reduction reduction is taken taken as where When series operations used, is as donde r =rrr¼ reducción. Cuando seaausa una of serie de operaciones deare laminado, la reducción toma where ¼ the reduction. When a by series of rolling operations are used, reduction is se taken as the sum of the drafts divided by the original thickness. the sum of drafts divided the original thickness. como suma de losdrafts adelgazamientos dividida entre el espesor original. thelasum of the divided by the original thickness. In addition addition toelthickness thickness reduction, rolling usually increases work del width. Thisdeis is In to usually increases work width. This Además de reducir espesor, lareduction, laminaciónrolling incrementa usualmente el ancho material In addition to it thickness reduction, rolling usually increases work width. This is called spreading, and it tends to be most pronounced with low width-to-thickness ratios called spreading, and tends to be most pronounced with low width-to-thickness ratios trabajo. Esto se llamaand ensanchado y be tiende a pronounced ser más pronunciado con bajas relaciones entre called spreading, it tends to most with low width-to-thickness ratios and ylow low coefficients ofcon friction. Conservation of matter matter is preserved, preserved, so the the volume of and coefficients of friction. Conservation of is so of ancho espesor, así como bajos coeficientes de fricción. Existe la conservación delvolume material, and low coefficients ofequals friction. Conservation of matter is preserved, so the volume of metal exiting the rolls equals the volume entering: metal exiting the rolls the volume entering: de tal manera que el volumen de metal que sale de los rodillos es igual al volumen que entra: metal exiting the rolls equals the volume entering: wooL Loo ¼ ¼ ttffw wffL Lff (13.3) (13.3) ttoow (13.3) to wo Lo ¼ tf wf Lf (13.3) where w woo and and w wff are are the the before before and and after after work work widths, widths, mm mm (in); (in); and and L Loo and and L Lff are are the the where where and wo and wf work are the beforemm and (in). after Similarly, work widths, mm and (in);after and L o and Lrates f are the before and after work lengths, mm (in). Similarly, before and after volume rates of before after lengths, before volume of before and after work lengths, mm (in). Similarly, before and after volume rates of

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13.1 Laminación  257

Chapter Deformation Processes Metalworking donde wo y264 wf son los anchos13/Bulk de trabajo antes y después, mmin(pulg), y Lo y Lf son las longitudes Chapter 13/Bulk Deformation Processes in Metalworking antes y después, mm (pulg). De igual manera, la velocidad volumétrica del flujo material antes y

después debe ser la misma, así que las velocidades pueden relacionarse antesso y después de laand si- after velocities material flow must be the same, the before guiente manera: material flow must be the same, so the before and after velocities can be related: Chapter 13/Bulk Deformation Processes in Metalworking Chapter Chapter 13/Bulk 13/Bulk Deformation Deformation Processes Processes in in Metalworking Metalworking to wo vo ¼ tf wf vf Chapter 13/Bulk Deformation Processes in Metalworking (13.4) material flow must be the same, so tthe o wo vo ¼ tf wf vf (13.4) before and after velocities can be related: material material flow flow must must be be the the same, same, so so the the before before and and after after velocities velocities can can be be related: related: where vo and vf are the entering and exiting velocities of the work material be the same, so theexiting and afterofvelocities be related: vf are the entering and velocities the work.can where donde vo yvovflow son must las velocidades de entrada y before salida del material de trabajo. the work along an arc defined f and w ¼ trolls (13.4) o¼ fw f tttooow (13.4) wooovvvoThe wfffvvvfcontact (13.4) by the angle u. o ¼ ttffw f rollsentran contact the workcon along an arc defined by speed u. it Each roll radius vr. This velocit Los The rodillos en contacto el material de trabajo athe lo angle largo de una arco dehas contacto R, and its rotational gives surface velocity to wo vo ¼ tf wf vf (13.4) This velocity is greater than the R, andpor itsand speed gives ittiene aentering surface velocity vthe definido elrotational ángulo θ.the Cada rodillo un radio R y su de rotación tiene una velor. of speed ofvelocidad work vwork. are entering and exiting velocities the where o and less than its exiting speed vf. Beca vvvfff are the entering and exiting velocities of the work. where vvvooo and and are the entering and exiting velocities of the work. where and less than its exiting speed v . Because the metal flow is work between entering speed of the work v cidad superficial v . Esta velocidad es mayor que la velocidad de entrada v y menor que o f r o in continuous, thereby is athe gradual change velocity oflathe The rolls contact the work along an arc defined by the angle u. Each roll has radius rolls the work along an arc defined angle u. roll has radius vcontact entering and exiting velocities of the work. whereThe vo and The rolls contact the work along an arc defined by thecambio angle u. Each Each roll has radius f are the continuous, there is a gradual change in velocity of the work between the rolls. However, velocidad de salida v . Como el flujo de metal es continuo, hay un gradual en la velocidad f there one pointvvby along arcu.where work velocity equals roll veloc This velocity is greater than the R, and its rotational rotational speed gives it it surface velocity This velocity is than the R, and its speed surface velocity rolls contact the gives work along an is arc defined thethe angle Each roll has radius This velocity is greater greater than the R, andThe rotational speed it aaa Sin surface velocity vrrr...un delentering material de trabajo entre losvgives rodillos. embargo, existe punto athe lo largo delmetal arco donde there isits one point along the arc where work velocity equals roll velocity. This is called the no-slip point, also known as neutral point. On either side of thi and less than its exiting speed v . Because the flow is speed of the work and less than its exiting vvffvelocity . Because metal flow isis entering of work vgives is the greater than the R, and itsspeed rotational speed a surface velocity vspeed anditneutral less than its exiting speed Because thede metal flow entering speed ofthe the workla vooovelocidad r. This f.llama la continuous, velocidad delthere trabajo iguala del rodillo. Este punto se punto no deslizano-slip point, also known as the point. On either side of this point, slipping and friction occur between roll and work. The amount of slip between th is a gradual change in velocity of the work between the rolls. However, continuous, there velocity of work between the rolls. However, and lessin than its exiting speed vf. Because the metal flow is entering speed of is the work vochange continuous, there isaagradual gradual change in velocity ofthe theslip work the rolls. However, miento, también conocido como punto neutro. A cualquier lado debetween este punto ocurren deslizafriction occur between roll and work. The amount of between the rolls and the work can be measured by means of the forward slip, a term used in roll there is one point along the arc where work velocity equals roll velocity. This is called the there is one along the where work velocity equals roll velocity. isiscalled the continuous, there is a gradual change in velocity of the work between theThis rolls. However, there onepoint point along thearc arc where work equals roll velocity. This the mientos y fricción entre elmeans rodillo y el material develocity trabajo. La cantidad derolling deslizamiento entre los can beis measured by of the forward slip, a either term used in thatslipping iscalled defined: no-slip point, also known as the neutral point. On side of this point, and vcalled no-slip point, also known as the neutral point. On either side of this point, slipping there is one point along the arc where work velocity equals roll velocity. This is the f � vand rand no-slip point, also known as the neutral point. On either side of this point, slipping rodillos y el material de trabajo puede medirse por del deslizamiento haciasand delante, tér¼ vf �medio vr of friction occur between roll and work. The amount of slip between the rolls the work friction occur between roll and work. The amount slip the rolls the work no-slip point, also known the neutral point. On either side of this slipping and vr(13.5) friction occur between rollas and work. The amount of slip between between thepoint, rolls and and the work s como: ¼ mino que se usa en la laminación y se define can be measured by means of the forward slip, term used in rolling that is defined: vr aaaof can by of slip, term in that is friction occur between roll and work. The amount slipused between the rolls and the work can be be measured measured by means means of the the forward forward slip, term used in rolling rolling that is defined: defined: (exiting) velocity, m/s (ft/sec); where sv¼ forward slip; vf ¼infinal can be measured by means of the forward rolling that iswork defined: � vvfffslip, � rrra term used �vvvvelocity, work m/s (ft/sec); and vr ¼ roll (13.5) speed, (13.5) ¼ where s ¼ forward slip; vf ¼ final (exiting) (13.5) m/ssss ¼ (ft/sec). ¼ v vv�r v (13.5) f r r m/s (ft/sec). strain experienced by the work in rolling is based on be s ¼Thevrtrue (13.5) vin The true strain experienced bythicknesses. the work rolling ism/s based on before and afterspeed, stock r velocity, In equation form, ¼ final (exiting) work (ft/sec); and v ¼ roll where s ¼ forward slip; v final work (ft/sec); and roll where ss¼ forward slip; vvfff¼ donde s= deslizamiento hacia vf = velocidad final delm/s trabajo (salida), y vr ¼delante; final(exiting) (exiting) workvelocity, velocity, m/s (ft/sec); andvm/s vrrr¼ ¼(pie/s), rollspeed, speed, where ¼ forward slip; thicknesses. In equation form, m/s (ft/sec). (ft/sec). ¼ final (exiting) work velocity, m/s (ft/sec); and v ¼ roll speed, where s ¼ forward slip; v =m/s velocidad de rodillo, m/s (pie/s). m/s (ft/sec). f r to The true strain experienced by the work in rolling is based on before and after stock edel ¼ ln stock The strain experienced by work on before and after m/s El(ft/sec). esfuerzo experimentado el trabajo laminado sebased basa en espesor material Thetrue truereal strain experiencedpor bythe the workin in rollingis is based onel before and after stock torolling f ework ¼ lnin rolling is based on before and aftert(13.6) thicknesses. In equation form, thicknesses. In equation form, The true strain experienced by the stock antes y después de la laminación. En forma de ecuación, thicknesses. In equation form, tf thicknesses. In equation form, The true strain flow stress Y f tttooo can be used to determine the average (13.6) ¼ ln eee ¼ ln The true strain can be used to determine (13.6) to the(13.6) work the flow stress (13.6) ¼ ln f applied material inaverage RecallYfrom the previous chapter, Eq. 12.2, tttfoffflat rolling. (13.6) ¼ ln material in flat rolling. Recall from theeprevious chapter, Eq. 12.2, that tf n Ke applied to the work The true strain can be used to determine the average flow stress Y f applied n to the work true strain can determine the flow stress Y SeThe puede usar la deformación realto para determinar elaverage esfuerzo de fluencia promedio aplicado al Y ¼ f applied to the work The true strain can be be used used to determine the average flow stress Y f Ke f 1 þ(13.7) n material in flat rolling. Recall from the chapter, Eq. 12.2, that ¼ fprevious material in flat Recall from previous chapter, Eq. 12.2, that material de trabajo en labe laminación plana. DeYla ecuación (12.2) del capítulo anterior se sabe que applied to the work The true strain can used to determine the average flow stress Y material in flat rolling. rolling. Recall from the the previous chapter, Eq. 12.2, that f 1þn material in flat rolling. Recall fromThe the average previous chapter, Eq. 12.2, that nnn flow stress is used to compute estimates of force and Ke Ke Ke Y (13.7) ¼ The average flow stress is used to compute (13.7) estimates of force andwith power in rolling. (13.7) Y Yfff ¼ (13.7) ¼ 11Ke Friction occurs a certain coefficient of friction, a nn in rolling þ þ n 1 þ n Friction in rolling occurs withforce a certain coefficient of friction,byand thecoefficient compression Y f of (13.7) ¼ the rolls, multiplied this of friction, results 1 þ n of friction, results in a friction force forceaverage of the flow rolls,stress multiplied bytothis coefficient between the rolls and the work. the yentrance side The is used compute estimates of force and power in rolling. ElThe esfuerzo de fluencia promedio seráto útil para calcular las estimaciones deOn fuerza de of the no-slip p average flow stress is used compute estimates of force and power in rolling. The average flow stress is used to compute estimates of force and power inpotencia rolling. between the rolls and the work. On the entrance side of the no-slip point, friction force is in one direction, and on the other side it is in the Friction in rolling occurs with certain coefficient of friction, and the compression laminación. Friction in aaa certain coefficient friction, the The average flow stressoccurs is usedwith to compute estimates ofof andand power in rolling. opposite direction Friction in rolling rolling occurs with certain coefficient offorce friction, and the compression compression in one direction, and on the other side it is in the opposite direction. However, the two forces are not equal. The friction force on the entrance side is gre force of the rolls, multiplied by this coefficient of friction, results in friction force La fricción se en la laminación con coefficient ciertoof de fricción, la fuerza de force of the rolls, multiplied by this coefficient friction, results in aaa yfriction force Friction inpresenta rolling occurs with a certain of friction, and compression force of the rolls, multiplied by this coefficient ofcoeficiente friction, results in the friction force forces are not equal. The friction force on the entrance side is greater, so that the net force pulls the work through the rolls. If this were not the case, r between the rolls and the work. On the entrance side of the no-slip point, friction force is compresión de rolls los rodillos, por este coeficiente de no-slip fricción, dainpor resultado unais between and the work. On the entrance side the point, force force of the the rolls, multiplied coefficient of of friction, results afriction friction force between rolls and themultiplicada work.by Onthis the entrance side of the no-slip point, friction force is force pulls the work through the rolls. If this were not the case, rolling would not be possible. There is a limit to the maximum possible draft that can be in one direction, and on the other side it is in the opposite direction. However, the two fuerza dedirection, fricción los rodillos yside el el lado deno-slip la entrada delfriction punto the neutro, in one and other it in the opposite direction. However, two between the rollsentre andon thethe work. On thetrabajo. entrance side of the point, force is in one direction, on the other side it is ispossible in En the opposite direction. However, the two possible. There is a limit to the maximum draft that can be accomplished in flat rolling with a given coefficient of friction, defined by: forces are not equal. The friction force on the entrance side is greater, so that the net laforces fuerza fricción tiene dirección; en el otro tiene la dirección opuesta. Sin las are not equal. The friction the entrance side is so that net in onede direction, and una on other force side iton is lado, in opposite direction. However, forces are not equal. Thethe friction force on thethe entrance side is greater, greater, so embargo, that the the two net rolling with a given coefficient of friction, defined by: force pulls the work through the rolls. If this were not the case, rolling would not be dos fuerzas no son iguales. La fuerza de fricción es mayor en la entrada, de manera que la fuerza force pulls the work through the rolls. If this were not the case, rolling would not be forces are not equal. The friction force on the entrance side is greater, so that the net 2 force pulls the work through the rolls. If this were not the case, rolling dwould not be max ¼ minRflat possible. There is a limit to the maximum possible draft that can be accomplished 2 neta jala el material de trabajo a través de los rodillos. La laminación no sería posible sin estas possible. There is a limit to the maximum possible draft that can be accomplished in flat force pulls the work through rolls.dmax If possible this not that the can case,berolling would not be possible. There is a limit to thethe maximum accomplished in flat ¼ mwere R draft (13.8) rolling with given coefficient of friction, defined by: diferencias. Hayaaa un para pasepossible laminación posible se puede en of friction; and rolling given coefficient of defined by: possible. There islímite a limit to el themáximo maximum draft canque be accomplished in flat rolling with with given coefficient of friction, friction, defined by: that where dde ¼ maximum draft, mm (in); m alcanzar ¼ coefficient max la rolling laminación plana con un coeficiente de fricción, dado por where dwith ¼ maximum draft, mm (in); m ¼ coefficient of friction; and R ¼ roll radius mm defined max a given coefficient of friction, (in). The equation zero, draft would be z 222R by:indicates that if friction were(13.8) ¼ m max ¼ R (13.8) dddmax ¼m mto Raccomplish (13.8) maxwere (in). The equation indicates that if friction zero, draft would be zero, and it would be impossible the rolling operation. 2 (13.8) dmax impossible to accomplish the rolling operation. (13.8) máx ¼ m R Coefficient of friction and in R rolling depends on lubrication, w where ¼ maximum maximum draft, draft, mm (in); m ¼ coefficient of friction; R ¼ roll radius mm max ¼ where dddmax (in); coefficient of friction; radius whereCoefficient draft,mm mm (in);m m¼ ¼ coefficient of friction;and and R¼ ¼roll roll radiusmm mm max ¼ maximum of friction inifrolling depends ondraft lubrication, work material, and working temperature. In cold rolling, the value is around 0.1; in warm (in). The equation indicates that friction were zero, would be zero, and it would be (in). that ififfriction were zero, would be zero, be where d equation ¼ maximum draft, mm (in);mm(pulg); m¼ coefficient of friction; and R ¼and rollyititradius mm (in). The equation indicates that friction were zero, draft would be zero, and would be donde dThe = pase deindicates laminación máxima, =draft coeficiente de fricción, Rwould radio máxmax working temperature. In cold rolling, the value isμaround 0.1; ininwarm working, a=typical value is around 0.2; and hot rolling, m is around 0.4 [16]. H impossible to accomplish the rolling operation. impossible to accomplish the rolling operation. (in). The mm equation indicates that if friction were zero, draft wouldelbeadelgazamiento zero, and it would be impossible to(pulg). accomplish the rolling operation. del rodillo, La and ecuación indica que si la fricción fuera value is around 0.2; in in hot rolling, m is around 0.4cero [16].called Hot rolling ispodría often characterized by a condition sticking, in which the hot work Coefficient of friction rolling depends on lubrication, work material, and of friction in on work material, and accomplish the rolling operation. Coefficient ofcondition friction in rolling rolling depends on lubrication, lubrication, work material, and serimpossible cero,Coefficient y estotoharía imposible la operación dedepends laminado. characterized by a called sticking, in which the hot work surface adheres to the rolls over the contact arc. This condition often occurs in the rollin working temperature. In cold rolling, the value is around 0.1; in warm working, typical working temperature. In rolling, the value is around 0.1; in warm working, aaa typical Coefficient of friction inlaminado rolling depends on lubrication, work material, and working temperature. In cold cold rolling, thedepende value isde around 0.1; inrolling warm working, typical Elrolls coeficiente decontact fricción en el varios factores como lasteels lubricación, el the over the arc. This condition often occurs in the of and hightemperature alloys. When sticking occurs, the coefficient of friction c value is around 0.2; and in hot rolling, m is around 0.4 [16]. Hot rolling is often value is around 0.2; and in hot rolling, m is around 0.4 [16]. Hot rolling is often working temperature. In cold rolling, the value is around 0.1; in warm working, a typical value is around 0.2; and in hot rolling, m is around 0.4 [16]. Hot rolling is often material de trabajo y la temperatura de trabajo. En la laminación en frío el valor es alrededor de 0.1; temperature alloys. When sticking occurs, the coefficient of friction can be as high as 0.7. The consequence of sticking is that the surface layers of the work are r characterized by aa0.2; condition called sticking, in which the hot work surface adheres to by condition sticking, in hot work surface to value is around andtípico in called hot rolling, is which 0.4 [16]. Hot rolling is often characterized by aun condition called sticking, in which the hot work surface adheres to encharacterized el trabajo en tibio, valor es alrededor dem0.2, yaround enof el the laminado en caliente μ esadheres alrededor The consequence of sticking is that the surface layers the work are restricted to move at ; and below the surface, deformati the same speed as the roll speed v the rolls over the contact arc. This condition often occurs in the rolling of steels and highthe This condition often occurs in the rolling of steels and highcharacterized by contact a condition called sticking, infrecuentemente which the hot work adheres to the rolls over the arc. This often occurs indeformation thepor rolling of steels and highdethe 0.4rolls [16].over La laminación enarc. caliente caracteriza unarsurface condición llamada ;se and below the surface, is more severe to the same speed ascontact the roll speed vrcondition allow passage of the of piece through the roll gap. temperature alloys. When sticking occurs, the coefficient of friction can be as high as 0.7. temperature alloys. When sticking occurs, the coefficient friction can be as high as 0.7. the rolls over the contact arc. This condition often occurs in the rolling of steels and hightemperature alloys. When sticking occurs, thegap. coefficient of friction can be as high as 0.7. allow passage of the piece through the roll The consequence of sticking is that the surface layers of the work are restricted to move at The of is are to at temperature alloys. When sticking occurs, the layers coefficient ofwork friction can be as high as 0.7. Theconsequence consequence ofsticking sticking isthat thatthe thesurface surface layersof ofthe the work arerestricted restricted tomove move at ; and below the surface, deformation is more severe to the same speed as the roll speed v r ; and below the surface, deformation is more severe to the same speed as the roll speed v The consequence of sticking is that the surface layers of the work are restricted to move to the same speed as the roll speed vrr; and below the surface, deformation is more severe at allow passage of the piece through the roll gap. allow passage through the roll the surface, deformation is more severe to the same speedof asthe thepiece roll speed vr; and allow passage of the piece through thebelow roll gap. gap.

allow passage of the piece through the roll gap.

258  CAPÍTULO 13  Procesos de deformación volumétrica en el trabajo de metales

C13

08/16/2011

16:49:20

Page 265

Velocidad del rodillo Vr

Page 264

FIGURA 13.3  Vista lateral de la laminación plana en la que se muestra el espesor antes y después, las velocidades de trabajo, el ángulo de contacto con los rodillos y otras características. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.) 13.3 Side view of flat FIGURE

Section 13.1/Rolling θ

265

Radio del rodillo = R Presión del rodillo = p tf

to vf

vo

Longitud de contacto = L vr

rolling, indicating before and after thicknesses, work velocities, angle adherencia, la rolls, cual laand superficie of contact en with other caliente del material de trabajo se pega a los rodillos sobre el 13/Bulk Deformation Processes in Metalworking features. (Credit: Fundamentals of a menudo en el laminado de aceros y aleaciones para alta arco de contacto. Esta condición ocurre Modern Manufacturing, Edition temperatura. Cuando ocurre 4lathadherencia, el coeficiente de fricción puede ser tan alto como 0.7. La material flow must be the same,consecuencia so Mikell the before and after velocities can be related: by P.de Groover, 2010. la adherencia es que las capas superficiales del material de trabajo no se pueden Reprinted with velocidad permission oflaJohn mover a la misma que velocidad del rodillo vr, y debajo de la superficie la deformación t w& wv (13.4) o vSons, o ¼ tf Inc.) esWiley máso severa a fin fdef permitir el paso de la pieza a través de la abertura entre los rodillos.

Dado un coeficiente de fricción suficiente para realizar la laminación, la fuerza de rodillo F and exiting velocitieslaofseparación the work. where vo and vf are the entering requerida para mantener los dostorodillos se puede calcular integrando la preGiven a coefficient of frictionentre sufficient perform rolling, roll force F required to The rolls contact the worksión along an arc defined by the angle u.como Eachproll has radius unitaria de laminación (mostrada en la figura 13.3) sobre el área de contacto rodillomaintain separation between the two rolls can be computed by integrating the unit roll velocity is greatersigue: than the R, and its rotational speed givesmaterial it a surface velocity vr. This de(shown trabajo. Esto puede expresar pressure as p inseFigure 13.3) overcomo the roll-work contact area. This can be expressed: entering speed of the work vo and less than its exiting speed vf. Because the metal flow is L continuous, there is a gradual change in velocity of the work between the rolls.ZHowever, C13 08/16/2011 is one point16:49:21 along thePage arc266 where work velocity equals roll velocity.FThis pdL the (13.9) (13.9) ¼ wis called C13there 08/16/2011 16:49:21 Page 266 no-slip point, also known as the neutral point. On either side of this point, slipping and 0 friction occur between roll and work. The amount of slip between the rolls and the work where F¼ rolling force,used N (lb); w ¼wthe width of the workdebeing rolled, mm p ¼ roll donde F= fuerza de laminado, Nin(lb); =that ancho material trabajo que se está(in); laminando, can be measured by means of the forward slip, a term rolling is del defined: 2 2 ); and L ¼ length of contact between rolls and work, mm (in). The pressure, MPa (lb/in mm (pulg); p = presión de laminado, MPa (lb/pulg ), y L = longitud de contacto entre el rodillo vf � vr integration requires two separate terms, one for either side of the neutral point. Variation y el trabajo, términos separados, uno a cada lado del s ¼ mm (pulg). La integración requiere dos (13.5) vr variaciones in roll pressure along the contact length significant. A sense this variation canson be punto neutro. Las en la presión delisrodillo a lo largo de la of longitud de contacto Chapter Processes in Metalworking 266 Chapter 13/Bulk 13/Bulk Deformation Deformation Processes in13.4 Metalworking 266 obtained from the plot in Figure 13.4. Pressure reaches a maximum at the neutral point, significativas. La figura da una idea de esta variación. La presión alcanza un máximo en el where s ¼ forward slip; vf ¼ final (exiting) work velocity, m/s (ft/sec); and vr ¼ roll speed, punto neutro y se desvanece a cada lado de los puntos de entrada y salida. Al aumentar la fricción, m/s (ft/sec). and trails on either side to entrance and points. friction increases, maximum la by presión se off incrementa máximo entre losexit valores de As entrada y salida. Al disminuir la and trails off eitheral to the the entrance and exit points. As friction increases, maximum The true strain experienced the work inon rolling isside based onrelativo before and after stock pressure increases relative to entrance and exit values. As friction decreases, the neutral fricción, el punto neutro se corre de la entrada hacia la salida a fin de mantener una fuerza neta pressure increases relative to entrance and exit values. As friction decreases, the neutral thicknesses. In equation form, shifts away the and the exit in to maintain a quepoint jale el material la dirección de la laminación. con baja fricción, el point shifts awayenfrom from the entrance entrance and toward towardDe theotra exitmanera, in order order touna maintain a net net pull pull force in the direction of rolling. Otherwise, with low friction, the work would slip to podríaof material de the trabajo deslizarse lugar de pasar los rodillos. force in direction rolling. en Otherwise, with entre low friction, the work would slip rather rather (13.6) e ¼ ln than pass the rolls. Se puede calcular una de los resultados obtenidos por la ecuación (13.9) con than pass between between the aproximación rolls. tf An approximation of the obtained by can calculated on base en el esfuerzo de fluencia experimenta material en la based abertura An approximation of promedio the results resultsque obtained by Eq. Eq.el(13.9) (13.9) candebe betrabajo calculated based on the average flow stress experienced by the work material in the roll gap. That is, entre rodillos. Estostress es, thelos average flow by thetowork material in the roll gap. That is, the work The true strain can be used to determine the average flowexperienced stress Y f applied material in flat rolling. Recall from the previous chapter, Eq. 12.2, that Y f wL (13.10) F¼ ¼Y (13.10) F (13.10) f wL n Ke 2 2 MPa (lb/pulg ); el producto donde de flow fluencia promedio de (13.7), la ecuación en (13.7) Y fY= ¼ esfuerzo average stress from Eq. MPa(13.7) (lb/in and the wL is where 1deþ n ¼ average flow stress from Eq.2 (pulg (13.7), (lb/in2); ); the product product is the the where Y ff ¼ 2). MPa 2 2 wL es el área contacto rodillo-trabajo, mm La longitud deand contacto se by puedewL aproxi2 (in 2). FIGURE 13.4 Typical variation in pressure Contact length can be approximated roll-work contact area, mm (in ). Contact length can be approximated by roll-work contact area, mm mar mediante the contact length flat rolling. The q The average flow stress is used toalong compute estimates of in force and power inffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi rolling. ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi q peak pressure is located at the neutral point. Friction in rolling occurs with a certain coefficient of friction, and the compression (13.11) L ¼ Rðt L ¼ Rðtoo � � ttff ÞÞ (13.11) (13.11) beneathofthe curve, representing force of the rolls, multiplied by The thisarea coefficient friction, results in a the friction force integration in Eq. (13.9), is the roll force F.friction force is between the rolls and the work. On the entrance side ofrolling the no-slip point, torque in can be estimated by assuming that (Credit:The Fundamentals of Modern The torque in rolling can be estimated bythe assuming that the the roll roll force force is is centered centered on on in one direction, and on the otherthe sidework it is as in itthe opposite direction. However, twowith th passes between the rolls, and that it acts a moment arm of one-half the Manufacturing, 4 Edition by Mikell the work as it passes between the rolls, and that it acts with a moment arm of one-half the forces are not equal. The friction contact force onlength the entrance side is greater, soroll that the net Thus, torque for each P. Groover, 2010.L. with permission L.Reprinted Thus, torque eachwould roll is is not be force pulls the work through the contact rolls. If length this were not the case,for rolling of John Wiley & Sons, Inc.) possible. There is a limit to the maximum possible draft that can be accomplished in flat T ¼ 0:5 FL (13.12)

C13 C13 C13

08/16/2011 08/16/2011 08/16/2011

16:49:21 16:49:21 16:49:21

Page 266 Page 266 266 Page 13.1 Laminación  259

266 266 266

Chapter 13/Bulk Deformation Processes in Metalworking Chapter13/Bulk 13/BulkDeformation Deformation Processes Processesin inMetalworking Metalworking Chapter

Presión pico

and trails off on either side to the entrance and exit points. As friction increases, maximum andtrails trails offon oneither eitherside side to theentrance entranceand andexit exitpoints. points.As Asfriction frictionincreases, increases,maximum maximum and pressure off increases relativetotothe entrance and exit values. As friction decreases, the neutral pressure increases increases relative relative to to entrance entrance and and exit exit values. values. As As friction friction decreases, decreases, the the neutral neutral pressure point shifts away from the entrance and toward the exit in order to maintain a net pull point shifts shifts away from from the entrance entrance and and toward toward the the exit in in order order to to maintain maintain aa net net pull pull point force in theaway direction ofthe rolling. Otherwise, with lowexit friction, the work would slip rather force in in the the direction direction of of rolling. rolling. Otherwise, Otherwise, with with low low friction, friction, the work would slip rather force the work would slip rather p Punto de no deslizamiento than pass between the rolls. than pass pass between between the the rolls. rolls. than An approximation of the results obtained by Eq. (13.9) can be calculated based on An approximation ofdethe the results obtainedby byEq. Eq.(13.9) (13.9)can can becalculated calculated based basedon on An approximation of results obtained FIGURA 13.4  Variación típica presión a lo the average flow stress experienced by the work material in thebe roll gap. That is, the average flow stress experienced by the work material in the roll gap. That is, thedeaverage flow stress experienced by the work material in the roll gap. That is, largo la longitud de contacto en la laminación plana. La presión pico se localiza en el punto neu-F ¼ Y f wL (13.10) Dirección de laminación(13.10) ¼Y YffwL wL tro. El área bajo la curva, representada por la inteFF ¼ (13.10)

gración de la ecuación (13.9), es la fuerza de lamiwhere Y f ¼ average flow stress from Eq. (13.7), MPa (lb/in222); and the product wL is the nación F. Y (Crédito: Fundamentals of2 Modern ¼ average average flow stress stress from Eq. (13.7), (13.7), MPa MPa (lb/in (lb/in );); and and the the product product wL wL isis the the where Yff ¼ 2 flow Eq. where (infrom ). Contact length can be approximated by roll-work contact area, mm 22Groover, 22). Contact length can be approximated Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. L (in by roll-work contact area, mm roll-work contact area, mm (in ). Contact length can be approximated by 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley qffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi qffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi Salida Entrada (13.11) L ¼q Rðto � tf Þ & Sons, Inc.)

L¼ ¼ L

�ttffÞÞ Rðtoo � Rðt

(13.11) (13.11)

The torque in rolling can beestimar estimated by assuming that the ejercida roll force is centered on El torque en laminación secan puede suponiendo que la fuerza los rodillos Thetorque torque inrolling rolling can beestimated estimated byassuming assuming that theroll rollforce forcepor centered on The in be by that the isiscentered on the work as it passes between the rolls, and that it acts with a moment arm of one-half the sethe centra en as el material trabajo,the conforme pasa entre elloswith y actúa con un brazo deone-half palanca the de the work asit itpasses passesde between the rolls,and and that it acts with moment armof of one-half the work between rolls, that aamoment arm contact length L. Thus, torqueL.for each roll isit acts la contact mitad de la longitud de contacto Entonces, el torque para cada rodillo es contact length length L. L. Thus, Thus, torque torque for for each each roll roll isis T ¼ 0:5 FL (13.12) ¼ 0:5 0:5FL FL (13.12) (13.12) TT ¼ (13.12)

The power required to drive each roll is the product of torque and angular velocity. La potencia requerida parato mover cada rodillo esthe el producto torque yand la velocidad angular. Thepower power required to drive each rollisis the productdel oftorque torque and angularvelocity. velocity. The drive each roll product of angular Angular velocityrequired is 2pN, where N¼ rotational speed of the roll. Thus, the power for each LaAngular velocidadvelocity angularisis es2pN, 2πN,where donde N N velocidad rotacional del rodillo. Por tanto, la potencia en Angular velocity 2pN, where N= ¼ rotational speed of the roll. Thus, the power foreach each ¼ rotational speed of Thus, the for power for roll is 2pNT. Substituting Eq. (13.12) for torque inthe thisroll. expression power, and cada rodillo es 2 π NT. Al sustituir la ecuación (13.12) por el torque en esta expresión para la potenroll is 2pNT. Substituting Eq. (13.12) for torque in this expression for power, and roll is 2pNT. Substituting Eq.for(13.12) in mill this consists expression forpowered power, rolls, and doubling the value to account the factfor thattorque a rolling of two cia, y al duplicar el valor, que un dethat laminado posee dosconsists rodillos,of setwo obtiene la siguiendoubling thevalue value todado account formolino thefact fact that arolling rolling mill consists of two powered rolls, doubling the to account for the a mill powered rolls, we get the following expression: te we expresión: we get get the the following following expression: expression: P ¼ 2pNFL (13.13) ¼ 2pNFL 2pNFL (13.13) (13.13) PP ¼ (13.13)

where P ¼ power, J/s or W (in-lb/min); N ¼ rotational speed, 1/s (rev/min); F ¼ rolling where P¼ ¼ power, power, J/s or(pulg-lb/min); W (in-lb/min); (in-lb/min); N¼ ¼ rotational rotational speed, 1/s 1/s (rev/min); ¼ rolling rolling donde P= W = velocidad de rotación, 1/s(rev/min); (rev/min); FF ¼ = fuerza where P or W N speed, force, Npotencia, (lb); andJ/sJ/s Lo¼ contact length,Nm (in). force, N (lb); (lb); andy L L= ¼ longitud contact de length, m (in). (in). N and ¼ contact length, m deforce, laminado, N (lb), L contacto, m (pulg).

Ejemplo 13.1 Example 13.1 Laminado plano

Example 13.1 Example 13.1 Flat Rolling Flat Rolling Flat Rolling

Una tira con un ancho de 300 mm y 25 mm de espesor se alimenta a través de un molino lamina300-mm-wide strip mm is feduno. through a rolling mill with two powered rolls dorAcon dos rodillos de 25025 mm de thick radio cada El espesor del material de trabajo se reduce a A 300-mm-wide 300-mm-wide strip strip 25 25 mm mm thick thick isis fed fed through through aa rolling rolling mill mill with with two two powered powered rolls rolls each of radius The work thickness to be reduced to 22 de mm in onetiene passuna at a 22A mm en un pase,¼ a250 unamm. velocidad de rodillo de 50is rev/min. El material trabajo each of of radius radius ¼ ¼ 250 250 mm. mm. The The work work thickness thickness isis to to be be reduced reduced to to 22 mm mm in one one pass pass at at aa each rollde speed of 50 rev/min. material a flow curve defined by Kin ¼ 275 and curva fluencia definida porThe K =work 275 MPa y n =has 0.15, y se supone que el22coeficiente deMPa fricción roll speed of 50 rev/min. The work material has a flow curve defined by K ¼ 275 MPa and roll speed of 50the The material has asiflow curveand defined by Kis¼ 275realizar MPato and entre rodillos yrev/min. elcoefficient trabajo es work de Determine la fricción esthe suficiente para labe n ¼los 0.15, and of 0.12. friction between the rolls work assumed ¼ 0.15, 0.15, and the coefficient coefficient ofcalcule friction between the rolls rolls and the work work is assumed assumed to be be nn0.12. ¼ the friction the the is to operación deand laminación. Si esfriction así,of la between fuerza deto laminado, elthe torque y la potencia en cabaDetermine if the is sufficient permitand rolling operation to be 0.12. Determine if the friction is sufficient to permit the rolling operation to be 0.12. Determine if the friction sufficient to permit the rolling operation to be llos de fuerza. accomplished. If so, calculate theisroll force, torque, and horsepower. accomplished. If If so, so, calculate calculate the the roll roll force, force, torque, torque, and and horsepower. horsepower. accomplished. Solución:  laminación quein se this intenta en esta operaciónis de laminado es Solution:El pase The de draft attempted rolling operation Solution: The The draft draft attempted attempted in in this this rolling rolling operation operation isis Solution:  d ¼ 25 � 22 ¼ 3 mm ¼ 25 25� �22 22 ¼ ¼ 33mm mm dd ¼ De la ecuación (13.8), el de laminación máximo el coeficiente From Eq. (13.8), thepase maximum possible draftposible for thepara given coefficientdeoffricción frictiondado is From Eq. Eq. (13.8), (13.8), the the maximum maximum possible possible draft draft for for the the given given coefficient coefficient of of friction friction isis es From dmax ¼ ð0:12Þ222 ð250Þ ¼ 3:6 mm ¼ ð0:12Þ ð0:12Þ ð250Þ ð250Þ ¼ ¼ 3:6 3:6mm mm  max ¼ ddmax máx Because the maximum allowable draft exceeds the attempted reduction, the rolling Because the maximum allowable allowable máximo draft exceeds the attempted reduction, the rolling Because the maximum the attempted reduction, rolling Como el pase defeasible. laminación excedewe la reducción se pretende, es operation is Topermisible compute draft rollingexceeds force, need the que contact lengththe L posible and the operation is feasible. To compute rolling force, we need the contact length L and the is laminación. feasible. compute force, we need the contactlalength L and the la operation operación de Para calcularrolling la fuerza de laminación se necesita longitud de conaverage flow stress YTo f . The contact length is given by Eq. (13.11): average flow flow stress stress Y Yff.. The The contact contact length length isis given given by by Eq. Eq. (13.11): (13.11): average pffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi pffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi L ¼p 250 ð25 � 22Þffiffi ¼ 27:4 mm L¼ ¼ 250 250ð25 ð25� �22Þ 22Þ ¼ ¼ 27:4 27:4mm mm L

Solution: The draft attempted in this rolling sthicknesses. ¼ (13.5) operation is In equation form, vr d ¼ 25 � 22t ¼ 3 mm o where s ¼ forward slip; vf ¼ final (exiting) work velocity, m/s (ft/sec); and vr ¼ roll (13.6) e ¼speed, ln t f for the given coefficient of friction is m/s (ft/sec). From Eq. (13.8), the maximum possible draft The true 16:49:21 strain experienced by the work in rolling is based on before and after stock C13 08/16/2011 Page 267 C13 08/16/2011 08/16/2011 16:49:21 Page Page267 267 C13 2 average flow stress Y f applied to the work C13 08/16/2011 16:49:21 267 The true strain can be used to ddetermine the equationPage form, C13 thicknesses. 08/16/2011 In16:49:21 16:49:21 Page 267 ¼ metales ð0:12Þ ð250Þ ¼ 3:6 mm max de 260  CAPÍTULO 13  Procesos de deformación volumétrica en el trabajo material in flat rolling. Recall from the previous chapter, Eq. 12.2, that to the maximum allowable draft exceeds the attempted reduction, the rolling (13.6) eBecause ¼ ln Ken we need the contact length L and the f esfuerzo operation is feasible. To compute tacto L y tel de fluencia promediorolling Laforce, longitud de contacto está dada por la ecuación (13.7) Y f .¼ n average flow stress Y f . The contact length1isþgiven by Eq. (13.11): (13.11): to the work ffi The true strain can be used to determine the average flow stress Y f applied ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi Section 13.1/Rolling 267 The average flow stress is used top compute of mm force and 13.1/Rolling power in rolling.267 Section 13.1/Rolling 267 material in flat rolling. Recall from the previous chapter, Eq. 12.2, that L ¼ 250 ð25 �estimates 22Þ ¼ 27:4 Section  Section 13.1/Rolling 267 Section 13.1/Rolling 267 Friction in rolling occurs with a certain coefficient of friction, and the compression n determined from the true strain: YYf isisKe force of the rolls, from multiplied bystrain: this coefficient of friction, results in a friction force determined fromthe thetrue true strain: fis determined is determined from the true strain: Y determina por la deformación real: (13.7) YY ¼ f ffse is determined from the true strain: Y f between the rolls and the work. On the entrance side of the no-slip point, friction force is 1þn 25 25it in one direction, and on the other side in the opposite direction. However, the two e ¼¼ln ¼¼is 0:128 25 ln25 0:128 25 22 eeee¼ ¼ 0:128 ¼ ln ¼ 0:128 22 The average flow stress is used to compute of force and power in rolling. ¼ln ln ¼ 0:128 forcesestimates are not equal. The friction force on the entrance side is greater, so that the net 22 22 22 0:15 Friction in rolling occurs with a certain of friction, and the compression force coefficient pulls the work through the rolls. If this were not the case, rolling would not be 0:15 275ð0:128Þ 0:15 275ð0:128Þ 0:15 0:15 ¼¼draft 175:7 MPa ¼ Y 275ð0:128Þ f maximum 275ð0:128Þ force of the rolls, multiplied by this coefficient of friction, results in a friction force 175:7MPa MPa Y ¼ possible. There is a limit to the possible that can be accomplished in flat 275ð0:128Þ 1:15 ¼ 175:7 Y ff f¼ ¼ 175:7 MPa Y ¼ 1:15 ¼ 175:7 MPa Y ¼ f offriction 1:15 between the rolls and the work. On the entrance sideaof the no-slip point, force is by: rolling with given coefficient friction, defined 1:15 1:15 force is determined from Eq. (13.10): in one direction, and on the other sideLaitRolling is in the opposite direction. However, the two Rolling force is determined from Eq. (13.10):2 (13.10): fuerza de laminación se determina por la(13.10): ecuación Rolling force from Eq. force determined from Eq. (13.10): ¼ net m R (13.8) dmax Rolling force isis is determined determined fromso Eq. (13.10): forces are not equal. The friction force Rolling on the entrance side is greater, that the FF ¼¼175:7ð300Þð27:4Þ ¼¼1;1;444; 786 NN force pulls the work through the rolls. If this were not the case, rolling would not be 175:7ð300Þð27:4Þ 444; 786 where d  roll radius mm FFF ¼ 175:7ð300Þð27:4Þ ¼ 444; 786 1 444 786 ¼ 175:7ð300Þð27:4Þ ¼ 1; 1; 444; 786NN N and R ¼ (in); m ¼ coefficient of friction; ¼mm 175:7ð300Þð27:4Þ max ¼ maximum draft, possible. There is a limit to the maximum possible draft that can be accomplished in flat¼ 1; 444; 786 N Torque to each isisgiven by Eq. (13.12): (in). The required equation indicates that ifroll friction were zero, draft would be zero, and it would be Torque required todrive driveeach each roll given by Eq.(13.12): (13.12): rolling with a given coefficient of friction, defined by: para Torque required to roll isis given by Elimpossible torque requerido mover cada rodillo está dado por la ecuación 13.12: Torque required to drive each roll given by Eq. (13.12): Torque required to drive drive each roll isoperation. given by Eq. Eq. (13.12): to accomplish the rolling �3 �3Þ ¼ 0:5ð1; 786Þð27; 4Þð10 786 N-m of T friction in444; rolling depends on lubrication, work material, and m2 R (13.8) dmax ¼ Coefficient �3 T¼¼¼0:5ð1; 0:5ð1; 444; 786Þð27; 4Þð10 ¼19; 19;786 786N-m N-m �3 �3ÞÞ Þ TT 444; 786Þð27; 4Þð10 working ¼ 19; N-m ¼ 0:5ð1; 444; 786Þð27; 4Þð10 1 444 786 19 786 0:5ð1; 444; 786Þð27; 4Þð10 Þ¼ ¼19; 19; 786 N-m  working, a typical temperature.TIn¼cold rolling, the value is around 0.1;786 in N-m warm and the power isis obtained from Eq. (13.13): where dmax ¼ maximum draft, mm (in); m ¼ coefficient of friction; R ¼Eq. roll radius value is power around 0.2; andand in hot rolling, mmm is around 0.4 [16]. Hot rolling is often and the power obtained from Eq. (13.13): and the isis obtained from (13.13): and the power obtained from Eq. (13.13): y la potencia se obtiene de la ecuación (13.13): and the power is obtained from Eq. (13.13): (in). The equation indicates that if friction were zero, draft be zero, andsticking, it would bewhich the hot work surface adheres to characterized by awould condition called in �3 �3Þ ¼ 12; 432; 086N-m=min ¼ 207; 201N-m=sðWÞ PP¼¼over 2pð50Þð1; 444; 786Þð27:4Þð10 �3 impossible to accomplish the rolling operation. the P rolls the contact arc. This condition often occurs in the rolling of steels and high2pð50Þð1; 444; 786Þð27:4Þð10 Þ ¼ 12; 432; 086N-m=min ¼ 207; 201N-m=sðWÞ �3 �3ÞÞ ¼ 444; 786Þð27:4Þð10 432; ¼ 201N-m=sðWÞ P ¼ 2pð50Þð1; 444; 786Þð27:4Þð10 12; 432; 086N-m=min ¼ 207; 201N-m=sðWÞ depends  Þ¼ ¼12; 12; 432; 086N-m=min ¼207; 207; P¼ ¼2pð50Þð1; 2pð50Þð1; 444; 786Þð27:4Þð10 1 444 786 12and 432086N-m=min 086 N-m/min 207 201 N-m/s(W) Coefficient of friction in rolling on lubrication, work occurs, material, temperature alloys. When sticking the coefficient of friction can 201N-m=sðWÞ be as high as 0.7. For comparison, let us convert this to horsepower (we note that one horsepower ¼¼ For comparison, let convert thisto to horsepower (wework notethat that onehorsepower horsepower working temperature. In cold rolling, the value is around of 0.1; inuswarm working, ahorsepower typical The consequence sticking is that the surface layers of(we the are restricted to move at For comparison, let us convert this note one ¼ For comparison, let us convert this to horsepower (we note that one horsepower ¼ For comparison, let us convert this to horsepower (we note that one horsepower ¼ 745.7 W): Convirtiendo esto a caballos de fuerza (un caballo de fuerza = 745.7 W): 745.7 value is around 0.2; and in hot rolling, m W): isW): aroundas 0.4 [16].speed Hot vrolling is often the surface, deformation is more severe to the same speed the roll 745.7 r; and below 745.7 745.7 W): W): characterized by a condition called sticking, in whichofthe work surfacethe adheres to allow passage thehot piece through roll gap. 207; 201 207 201 207;201 201¼ 278 hp  ¼ 207; the rolls over the contact arc. This condition often occurs in the rolling ofHP steels and high207; 201 HP¼¼207; 278 hp 201¼¼278 745:7 HP HP hp 745:7 HP ¼high ¼ 278 278hp hp temperature alloys. When sticking occurs, the coefficient of friction can be as¼ as 0.7.¼ 745:7 745:7 745:7 The consequence of sticking is that the En surface layers of the work are restricted to move at It can be seen from this example that large forces and power are required ininrolling. este ejemplo seseen puede observar que se requieren grandes fuerzas y potencias para el in laminado. Itcan canbebe seenfrom from thisexample example thatlarge large forces andpower power arerequired required rolling. It this that forces and are rolling. It can be seen from this example that large forces and power are required in rolling. the surface, deformation is more severe to the same speed as the roll speed vr; andLabelow It can be seen from this example that large forces and power are required in rolling. Inspection of Eqs. (13.10) and (13.13) indicates that force and/or power to roll aastrip of inspección de las ecuaciones (13.10) y (13.13) indica que pueden reducirse la fuerza y la poInspection of Eqs. (13.10) and (13.13) indicates that force and/or power to roll strip ofaaa Inspection of Eqs. (13.10) and (13.13) indicates that force and/or power to roll aaausing strip of Inspection of Eqs. (13.10) and (13.13) indicates that force and/or power to roll strip of aa allow passage of the piece through the roll gap. Inspection of Eqs. (13.10) and (13.13) indicates that force and/or power to roll strip of given width and work material can be reduced by any of the following: (1) hot tencia para laminar una tira de ancho y material dados por cualquiera de los siguientes medios: givenwidth widthand andwork workmaterial materialcan canbebereduced reducedbybyany anyofofthe thefollowing: following:(1) (1)using usinghot hot given given width and work material can be reduced by any of the following: (1) using hot given width and work material can be reduced by any of the following: (1) using hot rolling rather than cold rolling to reduce strength and strain hardening (K and n) of the 1)rolling uso de rather laminado en cold caliente en lugar de laminado en frío para reducir la resistencia yn) eln)of endurolling ratherthan than coldrolling rolling toreduce reduce strength and strain hardening (Kand and ofthe the to strength and strain hardening (K rolling rather than cold rolling to reduce strength and strain hardening (K and n) of the rolling rather than cold rolling to reduce strength and strain hardening (K and n) of the work material; (2) reducing the draft in each pass; (3) using a smaller roll radius R to recimiento por deformación (K y n) del material de trabajo, 2) reducción del draft en cada paso, workmaterial; material;(2) (2)reducing reducingthe thedraft draftinineach eachpass; pass;(3) (3)using usinga asmaller smallerroll rollradius radiusRRto to work work material; (2) reducing the draft in each pass; (3) using aa power. smaller roll radius R to material; (2) reducing the draft in each pass; (3) using smaller roll radius R to & reduce force; and (4) using a lower rolling speed N to reduce 3) work utilización de un menor radio en el rodillo R para reducir la fuerza y 4) utilizando menor veloreduceforce; force;and and(4) (4)using usinga alower lowerrolling rollingspeed speedNNtotoreduce reducepower. power. & reduce & reduce force; using aa lower rolling & reduce force; and andN(4) (4) using lower rolling speed speed N N to to reduce reduce power. power. & cidad de laminación para reducir la potencia. ■

13.1.2 SHAPE ROLLING 13.1.2 SHAPE SHAPEROLLING ROLLING 13.1.2 13.1.2 SHAPE ROLLING 13.1.2  Laminación de perfiles In shape rolling, the work is deformed into a contoured cross section. Products made by

Inshape shaperolling, rolling,the the workisisdeformed deformedinto intoa acontoured contouredcross crosssection. section.Products Productsmade madebyby In rolling, the work is into ase cross section. Products made by EnIn elshape laminado de perfiles, el material de trabajo deforma para generar un contorno en la secIn shape rolling, thework work is deformed deformed into a contoured contoured cross section. Products made by shape rolling include construction shapes such as I-beams, L-beams, and U-channels; rails shape rolling include construction shapes such as I-beams, L-beams, and U-channels; rails shape rolling include construction shapes such as I-beams, L-beams, and U-channels; rails shape rolling include construction shapes such as I-beams, L-beams, and U-channels; rails ción transversal. Los productos hechos por este procedimiento incluyen perfiles deThe construcción shape rolling include construction shapes such as I-beams, L-beams, and U-channels; rails for railroad tracks; and round and square bars and rods (see Figure 13.2). process forrailroad railroadtracks; tracks;and andround roundand andsquare squarebars bars androds rods(see (seeFigure Figure13.2). 13.2).The Theprocess processisisis for for railroad round and square and rods (see Figure 13.2). The process is como vigas en I,tracks; en Lpassing yand canales enwork U; rieles parabars víasand de ferrocarril y reverse barras redondas y cuadradas, for railroad tracks; and round and square bars and rods (see Figure 13.2). The process is accomplished by the through rolls that have the of the desired shape. accomplishedbybypassing passingthe thework workthrough throughrolls rollsthat thathave havethe thereverse reverseofofthe thedesired desiredshape. shape. accomplished by passing the work through rolls that have the reverse of the desired shape. asíaccomplished comoMost varillas (véase la figura 13.2). El proceso se realiza pasando el material de trabajo a accomplished by passing the work through rolls that have the reverse of the desired shape. of the principles that apply in flat rolling are also applicable to shape rolling. Mostofofthe theprinciples principlesthat that applyininflat flat rollingare arealso also applicabletotoshape shaperolling. rolling. Most of the principles that apply in flat rolling also applicable to shape rolling. través deMost rodillos quemore tienencomplicated; impreso el reverso de rolling la formaare deseada. Most ofare the principles thatapply apply in flat rolling are alsoapplicable applicable toshape, shaperequires rolling. Shaping rolls the work, usually starting as aasquare Shaping rolls are more complicated; the work, usually starting as square shape, requires Shaping rolls are more complicated; the work, usually starting as shape, requires Shaping rolls are more complicated; the work, usually starting as aasquare square shape, requires mayoría de principios que se aplican en la laminación plana son también aplicables al Shaping rolls arelos more complicated; work, usually asathe square requires aaLa gradual transformation through several rolls to achieve final cross section. gradual transformation throughthe several rollsto tostarting achieve the finalshape, crosssection. section. a gradual transformation through several rolls achieve the final cross aaDesigning gradual transformation through several rolls to achieve final cross laminado de perfiles. Los rodillos formadores son más complicados; el the material inicial, desection. forma gradual transformation through several rolls to achieve the final cross section. the sequence of intermediate shapes and corresponding rolls is called rollDesigningthe thesequence sequenceofofintermediate intermediateshapes shapesand and correspondingrolls rollsisiscalled calledrollrollDesigning Designing the sequence of intermediate shapes and corresponding rolls is rollusualmente cuadrada, requiere una transformación gradual través de variosthe rodillos para alcanDesigning the sequence ofachieve intermediate shapes andacorresponding corresponding rolls is called called rollpass design. Its goal isisto uniform deformation throughout cross section inin pass design. Its goal to achieve uniform deformation throughout the cross section pass design. Its goal isis to achieve uniform throughout the cross section in pass design. Its goal to achieve uniform deformation throughout the cross section in zar la sección final. El diseño decertain la secuencia dedeformation las formas intermedias y los correspondientes pass design. Its goal is to achieve uniform deformation throughout the cross section in each reduction. Otherwise, portions of the work are reduced more than others, eachreduction. reduction.Otherwise, Otherwise,certain certainportions portionsofofthe thework workare are reducedmore more thanothers, others, each each reduction. Otherwise, certain portions of the work are reduced more than others, rodillos se llama diseño de pases de laminación. Su meta es lograr una deformación uniforme a each reduction. Otherwise, certain portions of theconsequence work arereduced reduced morethan than others, causing greater elongation in these sections. The of nonuniform reduction causing greater elongation in these sections. The consequence of nonuniform reduction causing greater elongation in these sections. The consequence nonuniform reduction causing greater elongation in these sections. The consequence of nonuniform reduction través de las secciones transversales de cada reducción. De otra horizontal forma of ciertas porciones de trabacausing greater elongation in these sections. The consequence of nonuniform reduction can be warping and cracking of the rolled product. Both and vertical rolls are canbebewarping warpingand andcracking crackingofofthe therolled rolledproduct. product.Both Bothhorizontal horizontaland and verticalrolls rolls are can be and cracking of the rolled product. Both and vertical rolls are jocan se reducen más que causando una mayor elongación en horizontal estas secciones. La consecuencia can be warping warping andotras, cracking ofreduction the rolled product. Both horizontal andvertical vertical rollsare are utilized to achieve consistent of the work material. utilized to achieve consistent reduction of the work material. to consistent reduction of material. utilized to achieve consistent reduction of the work material. deutilized una reducción no uniforme pueden ser torceduras ywork agrietamiento utilized to achieve achieve consistent reduction of the the work material. del producto laminado. Se utilizan rodillos horizontales y verticales para lograr una reducción consistente del material de trabajo.

13.1.3 ROLLING MILLS 13.1.3 ROLLING ROLLINGMILLS MILLS 13.1.3 13.1.3 ROLLING MILLS Various rolling mill configurations are available to deal with the variety of applications

Variousrolling rollingmill mill configurationsare are availabletotodeal dealwith withthe the varietyofofapplications applications Various Various rolling mill configurations are available to deal with the variety of applications Various rollingproblems millconfigurations configurations areavailable available to deal withrolling thevariety variety of applications and technical inin the rolling process. The basic mill consists of and technical problems the rolling process. The basic rolling mill consists of two two and and technical problems in the rolling process. The basic rolling mill consists of two and technical technical problems problems in in the the rolling rolling process. process. The The basic basic rolling rolling mill mill consists consists of of two two

13.1 Laminación  261

vr vo

vr vo

vf vo

vf vr

vr

vf

vf vr

v2

vr

vr

vr

a) b)

c)

vr vo

vf

d)

vo

v1

v2

v3

e)

FIGURA 13.5  Varias configuraciones de molinos de laminación: a) dos rodillos, b) tres rodillos, c) cuatro rodillos, d) molino de conjunto y e) molino de rodillos en tándem. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

13.1.3  Molinos laminadores Se dispone de varias configuraciones de molinos de laminación que manejan una variedad de aplicaciones y problemas técnicos en los procesos de laminación. El molino de laminación básico consiste en dos rodillos opuestos y se denomina molino de laminación de dos rodillos, el cual se muestra en la figura 13.5a). Los rodillos en estos molinos tienen diámetros que van de 0.6 a 1.4 m (2.0 a 4.5 pies). La configuración de dos rodillos puede ser reversible o no reversible. En el molino no reversible los rodillos giran siempre en la misma dirección y el material de trabajo siempre pasa a través del mismo lado. El molino reversible permite la rotación de los rodillos en ambas direcciones, de manera que el trabajo puede pasar a través de cualquier dirección. Esto permite una serie de reducciones que se hacen a través del mismo juego de rodillos, pasando simplemente el trabajo varias veces desde direcciones opuestas. La desventaja de la configuración reversible es la cantidad significativa de movimiento angular debido a la rotación de grandes rodillos y los problemas técnicos asociados a la reversibilidad de la dirección. En la figura 13.5 se ilustran algunas configuraciones alternas. En la configuración de tres rodillos (figura 13.5b) hay tres rodillos en una columna vertical, y la dirección de rotación de cada rodillo permanece sin cambio. Para lograr una serie de reducciones se puede pasar el material de trabajo en cualquier dirección, ya sea elevando o bajando la tira después de cada paso. El equipo en un molino de tres rodillos se vuelve más complicado debido al mecanismo elevador que se necesita para elevar o bajar el material de trabajo. Como indican las ecuaciones anteriores, se ganan algunas ventajas al reducir el diámetro de los rodillos. La longitud de contacto entre los rodillos y el material de trabajo se reduce con un menor radio de los rodillos, y esto conduce a fuerzas más bajas, menor torque y menor potencia. En los molinos de cuatro rodillos se usan dos rodillos de diámetro menor para hacer contacto con el material de trabajo y dos rodillos de respaldo, como se muestra en la figura 13.5c). Debido a las altas fuerzas de laminación, los rodillos más pequeños podrían deflectarse elásticamente entre los cojinetes extremos como el material de trabajo pasa por los rodillos, si no fuera por los rodillos más grandes de respaldo que los soportan. Otra configuración que permite el uso de rodillos de trabajo más pequeños es el molino en conjunto o de racimo (figura 13.5d).

262  CAPÍTULO 13  Procesos de deformación volumétrica en el trabajo de metales

Para lograr altas velocidades de rendimiento en los productos estándar se usa frecuentemente un molino de rodillos en tándem. Esta configuración consiste en una serie de bastidores, o castillos, de rodillos, como se aprecia en la figura 13.5e). Aunque sólo se muestran tres castillos en el diagrama, un molino laminador en tándem puede tener ocho o diez pares de rodillos, y cada uno realiza una reducción en el espesor o un refinamiento en la forma del material de trabajo que pasa entre ellos. A cada paso de laminación se incrementa la velocidad, haciendo significativo el problema de sincronizar las velocidades de los rodillos en cada etapa.

13.1.4  Otros procesos de deformación relacionados con el laminado Algunos otros procesos de deformación volumétrica usan rodillos para formar las piezas de trabajo; estas operaciones incluyen el laminado de roscas, la laminación de anillos, el laminado de engranes y perforado de rodillos. Laminado de roscas  Este proceso se usa para formar roscas en piezas cilíndricas mediante su

laminación entre dos dados. Es el proceso comercial más importante para producción masiva de componentes con roscas externas (pernos y tornillos, por ejemplo). El proceso competidor es el roscado (maquinado o tallado de roscas, sección 16.2.2). La mayoría de las operaciones de laminación de roscas se realizan por trabajo en frío utilizando máquinas laminadoras de roscas. Estas máquinas están equipadas con dados especiales (nota de R. T.: también conocidos como peines) que determinan el tamaño y la forma de la cuerda; los dados son de dos tipos: 1) dados planos que se mueven alternadamente entre sí, como se ilustra en la figura 13.6, y 2) dados redondos, que giran relativamente entre sí para lograr la acción de laminado. Las velocidades de producción en el laminado de roscas pueden ser muy altas, y su capacidad alcanza hasta ocho piezas por segundo para pernos y tornillos pequeños. Pero la velocidad no es la única ventaja respecto al roscado; existen otras, como son: 1) mejor utilización del material, 2) roscas más fuertes debido al endurecimiento por trabajo, 3) superficies más lisas y 4) mejor resistencia a la fatiga debido a los esfuerzos por compresión que se introducen durante la laminación. Laminación de anillos  La laminación de anillos es un proceso de deformación que lamina las

paredes gruesas de un anillo para obtener anillos de paredes más delgadas, pero de un diámetro mayor. La figura 13.7 ilustra el proceso antes y después. Conforme el anillo de paredes gruesas se comprime, el material se alarga, ocasionando que el diámetro del anillo se agrande. La laminación de anillos se aplica usualmente en procesos de trabajo en caliente para anillos grandes y en procesos de trabajo en frío para anillos pequeños. Las aplicaciones de la laminación de anillos incluyen pistas para cojinetes de bolas y rodillos, llantas de acero para ruedas de ferrocarril y cinchos para tubos, recipientes a presión y máquinas rotatorias. Las paredes de los anillos no se limitan a secciones rectangulares y el proceso

Forma inicial

Pieza terminada

Dado fijo

Dado móvil 1)

2)

FIGURA 13.6  Laminado de roscas con dados planos: 1) inicio del ciclo y 2) fin del ciclo. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

13.1 Laminación  263

Rodillo loco Rodillo principal Rodillos canteadores

Alimentación

1)

2)

FIGURA 13.7  Laminación de anillos que se usa para reducir el espesor e incrementar su diámetro: 1) inicio y 2) proceso terminado. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

permite la laminación de formas más complejas. Las ventajas de la laminación de anillos sobre otros métodos para fabricar las mismas piezas son el ahorro de materias primas, la orientación ideal de los granos para la aplicación y el endurecimiento a través del trabajo en frío. Laminado de engranes  Éste es un proceso de formado en frío que produce ciertos engranes. La industria automotriz es un importante usuario de estos productos. La instalación para el laminado de engranes es similar al laminado de roscas, excepto que las características de deformación de los cilindros o discos se orientan paralelamente a su eje (o a un ángulo en el caso de engranes helicoidales) en lugar de la espiral del laminado de roscas. Los métodos de producción alternativos para los engranes incluyen el maquinado. Las ventajas de la laminación de engranes sobre el maquinado son similares a las ventajas en el laminado de roscas: altas velocidades de producción, mejor resistencia a la fatiga y menos desperdicio de material. Perforado de rodillos  Éste es un proceso especializado de trabajo en caliente para hacer tubos sin costura de paredes gruesas. Utiliza dos rodillos opuestos y por tanto se agrupa entre los procesos de laminación. El proceso se basa en el principio de que al comprimir un sólido cilíndrico sobre su circunferencia, como en la figura 13.8a), se generan altos esfuerzos de tensión en su centro. Si la compresión es lo suficientemente alta se forma una grieta interna. Este principio se aprovecha en el perforado de rodillos mediante la disposición que se muestra en la figura 13.8b). Los esfuerzos de compresión se aplican sobre el tocho sólido cilíndrico por dos rodillos, cuyos ejes se orientan en pequeños ángulos (∙6°) respecto al eje del tocho; de esta manera, la rotación tiende a jalar el tocho a través de los rodillos. Un mandril se encarga de controlar el tamaño y acabado de la perforación creada por la acción. Se usan los términos perforado rotatorio de tubos y proceso Mannesmann para esta operación en la fabricación de tubos.

Rodillos

Fuerza de compresión Esfuerzos tensores

Cilindro inicial

Mandril

Tubo terminado b) a) FIGURA 13.8  Perforación de rodillos: a) formación de esfuerzos internos y de la cavidad por compresión de la pieza cilíndrica y b) disposición del molino de laminación Mannesmann para producir tubo sin costura. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

264  CAPÍTULO 13  Procesos de deformación volumétrica en el trabajo de metales

13.2 Forjado El forjado es un proceso de deformación en el cual se comprime el material de trabajo entre dos dados o matrices, usando impacto o presión gradual para formar la pieza. Es la operación más antigua para formado de metales y se remonta quizá al año 5000 a.C. En la actualidad el forjado es un proceso industrial importante mediante el cual se elabora una variedad de componentes de alta resistencia para automóviles, vehículos aeroespaciales y otras aplicaciones. Estos componentes incluyen cigüeñales y bielas para motores de combustión interna, engranes, componentes estructurales para aviación y piezas para turbinas y motores de propulsión. Además, las industrias del acero y de otros materiales metálicos básicos usan el forjado para definir la forma básica de grandes componentes que luego se maquinan para lograr su forma final y dimensiones definitivas. El forjado se lleva a cabo de diversos modos. Una manera de clasificar las operaciones de forja es mediante la temperatura de trabajo. La mayoría de las operaciones de forja se realiza en caliente o en tibio, dada la deformación que demanda el proceso y la necesidad de reducir la resistencia e incrementar la ductilidad del metal de trabajo; sin embargo, el forjado en frío es muy común para ciertos productos. La ventaja del forjado en frío es que incrementa la resistencia resultante del endurecimiento por deformación del componente. En el forjado se aplica la presión por impacto o en forma gradual. La diferencia depende más del tipo de equipo usado que de las diferencias en la tecnología de los procesos. Una máquina de forjado que aplica cargas de impacto se llama martinete de forja, mientras que la que aplica presión gradual se denomina prensa de forjado. Otra diferencia entre las operaciones de forjado es el grado en que las matrices restringen el flujo del metal de trabajo. Atendiendo a esta clasificación, hay tres tipos de operaciones de forjado: a) forjado en dado abierto, b) forjado en dado impresor y c) forjado sin rebaba, esquematizados en la figura 13.9. En el forjado en dado abierto, el trabajo se comprime entre dos dados planos (o casi planos), permitiendo que el metal fluya sin restricciones en una dirección lateral respecto a las superficies del dado. En el forjado en dado impresor, las superficies del dado con-

v, F v, F

Dado superior Pieza de trabajo

Punzón Dado inferior (estacionario) Pieza de trabajo

a) v, F Pieza de trabajo

Dado (estacionario)

Dado superior c)

Rebaba Dado inferior (estacionario) b)

FIGURA 13.9  Tres tipos de operación de forja ilustrados por diagramas de sección transversal: a) forjado en dado abierto, b) forjado en dado impresor y c) forjado sin rebaba. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

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Chapter 13/Bulk Deformation Processes in Metalworking

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two flat (or almost flat) dies, thus allowing the metal to flow without constraint in a lateral direction relative to the die surfaces. In impression-die13.2 Forjado  265 forging, the die surfaces contain a shape or impression that is imparted to the work during compression, thus constraining metal flow to a significant degree. In this type of operation, a tienen unaofforma que semetal imprime materialthe de die trabajo durante latocompresión, portion the work flowsalbeyond impression form flash, restringiendo as shown in significativamente el flujo de metal. En este tipo de operación, una parte fluye forging, más allá the figure. Flash is excess metal that must be trimmed off later.del Inmetal flashless del dado impresor formando una rebaba, como se muestra en la figura. La rebaba es un exceso the work is completely constrained within the die and no excess flash is produced. The devolume metal que debe recortarse más tarde. En el forjado sin rebaba, el dado restringe completamenof the starting workpiece must be controlled very closely so that it matches the tevolume el material de trabajo dentro de la cavidad y no se produce rebaba excedente. Es necesario of the die cavity. controlar estrechamente el volumen de la pieza inicial para que iguale al volumen de la cavidad del dado. Section 13.2/Forging

273

13.2.1 OPEN-DIE FORGING 13.2.1  Forjado en dado abierto

The simplest case of open-die forging involves compression of a workpart of cylindrical Elcross caso section más simple de forjado en dado en comprimir una pieza de test sección cilínbetween two flat dies,abierto much consiste in the manner of a compression (Section drica entre dos dados planos, muy semejante a una prueba de compresión (sección 3.1.2). Esta 3.1.2). This forging operation, known as upsetting or upset forging, reduces the height of operación de forjado, conocida como recalcado o forjado para recalcar, reduce la altura del the work and increases its diameter. trabajo e incrementa su diámetro. Analysis Open-Die Forging If open-die forging is carried undera ideal conditions Análisis delofforjado en dado abierto  Si el forjado en dado abiertoout se lleva cabo bajo condiof no friction between work and die surfaces, then homogeneous deformation occurs, ciones ideales, sin fricción entre el trabajo y la superficie del dado, ocurre una deformación and hothe radial flow of radial the material is uniform throughout its height, pictured mogénea y el flujo del material es uniforme a lo largo de su as altura, comoinseFigure ilustra13.10. en la Under theseBajo ideal conditions, the true strain experienced the work during the process figura 13.10. condiciones ideales, la deformación real queby experimenta el material durante can be determined by el proceso se puede determinar por

e ¼ ln FIGURE 13.11

ho h

(13.14) (13.14)

Actual deformation of a cylindrical workpart in open-die forging, showing

pronounced barreling: (1) trabajo, start of process, (2) ypartial deformation, (3) final shape.en el donde hoh= altura inicial de mm (pulg), h = altura en algúnand punto intermedio where o ¼ starting height of the work, mm (in); and h ¼ the height at some intermediate th (Credit: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4 Edition by Mikell P. Groover, 2010. hf, proceso, mm (pulg). Al final de la carrera de compresión, h = h , su valor final, y la deformación point in the process, mm (in). At the end of the compression f stroke, h ¼ its final value Reprinted with permission of John Wiley & Sons, Inc.) real alcanza su máximo valor. and the true strain reaches its maximum value. Se Estimates puede estimar la fuerza para ejecutar el recalcado. fuerza requerida para required continuar to la of force to perform upsetting can beLa calculated. The force compresión a una altura dada h durante el proceso, puede obtenerse multiplicando el área correscontinue the compression at any given height h during the process can be obtained by pondiente de la the sección transversal por el esfuerzo dearea fluencia: multiplying corresponding cross-sectional by the flow stress:



F ¼ Yf A

(13.15) (13.15)

2 2);YY ¼ (in22(pulg ); and where F fuerza, ¼ force, (N); A área ¼ cross-sectional area of the mmmm donde F= lb lb (N); A= de la sección transversal depart, la pieza, esff = flow 2 fuerzo fluencia correspondiente a la deformación dada por la ecuación (13.14), en MPa (lb/ A continuously stressdecorresponding to the strain given by Eq. (13.14), MPa (lb/in ). Area 2). El área A se incrementa continuamente al reducirse la altura durante la operación. El espulg increases during the operation as height is reduced. Flow stress Yf also increases as a result of work hardening, except when the metal is perfectly plastic (e.g., in hot working). In this case, the strain-hardening exponent n ¼ 0, and flow stress Yf equals the metal’s v, FY. Force reaches a maximum value at the end of the forging stroke, when yield strength v, F values. both area and flow stress are at their highest An actual upsetting operation does not occur quite as shown in Figure 13.10 because friction opposes the flow of work metal at the die surfaces. This creates the barreling effect shown in Figure 13.11. When performed on a hot workpart with cold dies, the barreling effect is even more pronounced. This results from a higher coefficient of friction typical in hot and heat transfer at and near the die surfaces, which cools h o working deformation FIGURE 13.10 Homogeneous of a cylindrical underinideal h the metal and increases its resistance to deformation. Theworkpart hotter metal the middle hf of conditions in an open-die forging operation: (1) start of process with workpiece at its the part flows more readily than the cooler metal at the ends. These effects are more original length and diameter, (2) partial compression, and (3) final size. (Credit: significantDas the diameter-to-height ratio of the workpart increases, to the greater Df due o of Modern Manufacturing, D Fundamentals 4th Edition by Mikell P. Groover, 2010. Reprinted contact area at the work–die interface. with permission of John Wiley & Sons, Inc.) All of these factors cause the actual upsetting force to be greater than what is 1) 3) 2) predicted by Eq. (13.15). As an approximation, we can apply a shape factor to Eq. (13.15) to account effects of homogénea the D/h ratio and friction: FIGURA 13.10 forDeformación de una pieza de trabajo cilíndrica bajo condiciones ideales en

una operación de forjado en dado abierto: 1) inicio del proceso con la pieza de trabajo a su altura y diámeF final. ¼ Kf(Crédito: Y f A Fundamentals of Modern Manufactu(13.16) tros originales, 2) compresión parcial y 3) tamaño ring, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

where F, Yf, and A have the same definitions as in the previous equation; and Kf is the forging shape factor, defined as Kf ¼ 1 þ

0:4mD h

(13.17)

273 273

Section Section13.2/Forging 13.2/Forging

266  CAPÍTULO 13  Procesos de deformación volumétrica en el trabajo de metales

v, F v, F

ho

h

h

f FIGURE FIGURE13.11 13.11 Actual Actualdeformation deformationof ofaacylindrical cylindricalworkpart workpartin inopen-die open-dieforging, forging,showing showing pronounced barreling: pronounced barreling:(1) (1)start startof ofprocess, process,(2) (2)partial partialdeformation, deformation,and and(3) (3)final finalshape. shape. Do D D th (Credit: of (Credit:Fundamentals Fundamentals ofModern ModernManufacturing, Manufacturing,44thEdition Editionby byMikell MikellP. P.fGroover, Groover,2010. 2010. Reprinted Reprintedwith withpermission permissionof ofJohn JohnWiley Wiley&&Sons, Sons,Inc.) Inc.)

1)

2)

3)

FIGURA 13.11  Deformación real de una pieza de trabajo cilíndrica en forjado en dado abierto, en la multiplying the corresponding cross-sectional area by flow multiplying the corresponding cross-sectional area by the the flow stress: stress:parcial y 3) forma que se muestra un abarrilamiento pronunciado: 1) inicio del proceso, 2) deformación final. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso (13.15) ¼ YYffA A (13.15) con autorización de John Wiley & Sons, Inc.) FF ¼ 2 2 where (in2);); and and YYff ¼ ¼ flow flow where FF ¼ ¼ force, force, lb lb (N); (N); A A¼ ¼ cross-sectional cross-sectional area area of of the the part, part, mm mm2 (in 22 continuously stress corresponding given Eq. (13.14), (lb/in fuerzo fluencia Yf se to incrementa también como del endurecimiento por trabajo, exAreaA A continuously stressde corresponding tothe thestrain strain givenby by Eq.resultado (13.14),MPa MPa (lb/in ).).Area as increases the as reduced. Flow stress cepto cuandoduring el metal esoperation perfectamente plásticoisis(por ejemplo, trabajo en Y caliente). En este caso, also increases increases as aa increases during the operation as height height reduced. Flow stress Yff also of work hardening, except when the metal is perfectly plastic (e.g., in hot working). elresult exponente de endurecimiento por deformación n = 0 y el esfuerzo de fluencia Y iguala a la result of work hardening, except when the metal is perfectly plastic (e.g., in hot f working). equals the metal’s In this case, the strain-hardening exponent n ¼ 0, and flow stress Y resistencia de cedencia del metal Y. La fuerza alcanza un valor máximo al final de la carrera de In this case, the strain-hardening exponent n ¼ 0, and flow stress Yff equals the metal’s yield reaches aamaximum value at the the forjado donde el Y. área y el esfuerzo fluencia llegan a su másof alto. yieldstrength strength Y.Force Force reachesde maximum value atvalor theend end of theforging forgingstroke, stroke,when when both area and flow stress are at their highest values. Una operación real de recalcado no ocurre exactamente como se muestra en la figura 13.10, both area and flow stress are at their highest values. upsetting operation not quite in 13.10 debido aAn queactual la fricción se opone al flujo does de metal la superficie deshown los dados. Esto crea un An actual upsetting operation does notenoccur occur quite as as shown in Figure Figure 13.10 because friction opposes the flow of work metal at the die surfaces. This creates the efecto de ensanchamiento en forma de barril, llamado abarrilamiento, que se muestra en la figura because friction opposes the flow of work metal at the die surfaces. This creates the barreling effect shown in Figure 13.11. When hot with dies, 13.11. Cuando se realiza caliente conperformed dados fríos,on elaaabarrilamiento máscold pronunbarreling effect shownel intrabajo Figureen 13.11. When performed on hotworkpart workpartes with cold dies, the barreling effect is even more pronounced. This results from a higher coefficient ciado. Esto se debe a un coeficiente de fricción más alto, típico del trabajo en caliente, y a of la the barreling effect is even more pronounced. This results from a higher coefficient of friction typical in hot working and heat transfer at and near the die surfaces, which cools transferencia de calor en la superficie del dado y sus cercanías, lo cual enfría el metal y aumenta friction typical in hot working and heat transfer at and near the die surfaces, which cools suthe resistencia a laincreases deformación. El metal más caliente se encuentra en medio pieza y fluye metal its to The metal middle of the metal and and increases its resistance resistance to deformation. deformation. The hotter hotter metaldein inlathe the middle of más fácilmente que el material más frío de los extremos. El efecto se acentúa al aumentar la rethe part flows more readily than the cooler metal at the ends. These effects are more the part flows more readily than the cooler metal at the ends. These effects are more lación entre elas y la altura de la pieza, aworkpart la mayorincreases, área de contacto la interfaz significant the ratio of due greater significant asdiámetro the diameter-to-height diameter-to-height ratiodebido of the the workpart increases, due to toenthe the greater dado-material de trabajo. contact contact area area at at the the work–die work–die interface. interface. Todos factores originan quethe la fuerza deupsetting recalcado force sea más que lathan pronosticada All of factors cause actual to be what Allestos of these these factors cause the actual upsetting force togrande be greater greater than what isis por la ecuación (13.15). Se puede aplicar un factor de forma a la ecuación (13.15) para aproximar predicted (13.15) predictedby byEq. Eq.(13.15). (13.15).As Asan anapproximation, approximation,we wecan canapply applyaashape shapefactor factorto toEq. Eq. (13.15) los delfor cociente D/h la fricción: to account effects of D/h toefectos account for effects ofythe the D/h ratio ratio and and friction: friction:



FF ¼ A ¼K KffYYffA

(13.16) (13.16) (13.16)

have the definitions as in the equation; K where donde F, F, YF,f yYYfAf,, and tienen mismas definiciones que en anterior, y Kf es and el factor dethe and A Alas have the same same definitions asla inecuación the previous previous equation; and Kff isis the where forging shape factor, defined as forma del forjado, definido como forging shape factor, defined as

0:4mD 0:4mD K Kff ¼ ¼ 11þ þ hh

(13.17) (13.17) (13.17)

where coefficient friction; workpart other donde μ m= coeficiente deof fricción; DD =¼ diámetro de diameter la pieza deor odimension cualquier representdimensión where m¼ ¼ coefficient of friction; D ¼ workpart diameter ortrabajo otherdimension representing contact with die surface, mm (in); hh ¼ workpart height, (in). que la longitud contacto con la superficie mm (pulg), y hmm = altura ingrepresente contact length length withde die surface, mm (in); and and del ¼dado, workpart height, mm (in). de la pieza, mm (pulg).

Ejemplo 13.2 Forjado en dado abierto

Una pieza de trabajo cilíndrica se sujeta a una operación de forjado para recalcar en frío. La pieza inicial tiene 75 mm de altura y 50 mm de diámetro. En la operación, su altura se reduce a 36 mm. El material de trabajo tiene una curva de fluencia definida por K = 350 MPa y n = 0.17. Suponga un coeficiente de fricción de 0.1. Determine la fuerza conforme empieza el proceso, a alturas intermedias de 62 mm, 49 mm y a la altura final de 36 mm.

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274 Chapter 13/Bulk Deformation Processes in Metalworking 274 Chapter 13/Bulk Deformation Processes in Metalworking 274 Chapter Processes in Metalworking A cylindrical workpiece is subjected to a cold upset forging operation. The starting piece Example 13.2 13/Bulk Deformation A cylindrical workpiece is subjected to a coldItupset forging The to starting piece Example 13.2 274 Chapter 13/Bulk Deformation Processes in is 75 mm in height Metalworking and 50 mm in diameter. is reduced inoperation. the operation a height of Open-Die Forging 13.2 Forjado  267 is 75 mm in height and 50 mm in diameter. It is reduced in the operation to a height of Open-Die Forging A cylindrical workpiece is subjected to a cold upset forging operation. The starting piece Example 13.213/Bulk Deformation 36 mm. The work material has a flow curve defined by K ¼ 350 MPa and n ¼ 0.17. Assume 274 Chapter Processes in Metalworking 36 mm. The work material has a flow curve defined by K ¼ 350 MPa and n ¼ 0.17. Assume A cylindrical workpiece is subjected to a cold upset forging operation. The starting piece is 75 mm in height and 50 mm in diameter. It is reduced in the operation to a height of Example 13.2 Open-Die Forging a coefficient of friction of 0.1. Determine the force as the process begins, at intermediate a coefficient of friction of 0.1. Determine the force as the process begins, at intermediate is 75 mm in height and 50 mm in diameter. It is reduced in the operation to a height of 36 mm. The work material has a flow curve defined by K ¼ 350 MPa and n ¼ 0.17. Assume Open-Die Forging ofVolumen 62workpiece mm,de 49lamm, and at the final height of mm. Aheights cylindrical is subjected to aV cold upset operation. starting piece Example 13.2 Solución:  pieza de trabajo = 75 π(502forging /4) 36 = 147 262 mm3.The En el momento en heights of 62 49 mm, and atdiameter. the final height of 36350 mm. 36 The work material a Determine flow curve defined byas K the ¼ MPa and n ¼ at 0.17. Assume amm. coefficient ofmm, friction ofhas 0.1. the force process begins, intermediate is 75 mm in height and 50 mm in It is reduced in the operation to a height of Open-Die Forging 2 3 que hace contacto con el dado superior, h = 75 mm y la fuerza F = 0. Al principio de la fluencia, /4) ¼ as 147,262 mm 3. At the moment contact is Solution: Workpiece volume Vat¼the 75p(50 a36 coefficient of friction ofmm, 0.1. Determine the the process begins, at¼intermediate heights of 62 mm, 49 and final height of 36 mm. 2force mm. The work material has a flow curve defined by K ¼ 350 MPa and n 0.17. Assume /4)la¼ 147,262 mmstart Atof the moment contact is Solution: Workpiece 75p(50 h es ligeramente menordie, quehvolume 75 mm, yVse¼ supone que =. 0.002, en la cualh el made by upper ¼and 75 mm and the force Fdeformación ¼ 0. At the yielding, is esfuerslightly heights of the 62 of mm, 49 mm, at the final height 36 mm. 2 forceof 3 begins, at intermediate coefficient friction of 0.1. Determine the as0. the process made by the upper die, h ¼ 75 mm and the force F ¼ At the start of yielding, h is slightly zoaless de fluencia es /4) ¼ 147,262 mm . At the moment contact is Solution: Workpiece volume V ¼ 75p(50 than 75 mm, and we assume that strain ¼ 0.002, at which the flow stress is 2 height of 36 mm. 3 heights ofthe 62 mm, and 49 mm, and at¼ the less than 75 mm, we thatfinal strain ¼ 147,262 at which stress is slightly /4) ¼ mm .start At the the moment contact is Solution: Workpiece volume 75p(50 made by upper die, h ¼assume 75 V mm and the force F0.002, ¼ 0. At the of flow yielding, h is 0:17 n 2 3 ¼mm Ke 350ð0:002Þ 121:7 MPa made yielding, the75 upper ¼Y75 the force F ¼ 0.¼At the start h iscontact slightly less by than mm,die, andhvolume we that strain 0.002, at which the flow stress is f assume /4) ¼ ¼0:17 147,262 mm . Atof the moment is Solution: Workpiece V and ¼¼ 75p(50 n Y ¼ Ke ¼ 350ð0:002Þ ¼ at 121:7 MPa f less than 75 mm, and we assume that strain ¼ 0.002, which the flow stress is 2 2 made by the upper die,approximately h ¼ 75 mmnandDthe force F0:17 ¼and 0. At theAstart of yielding, h is slightly /4) ¼ 1963.5 mm . The diameter is still ¼ 50 mm area ¼ p(50 2/4) 2 =1 963.5 mm2. 2 Yf ¼ Ke ¼ D 350ð0:002Þ ¼ área 121:7 MPa Elless diámetro es todavía aproximadamente = 50 mm, y el A = π (50 The diameter is still approximately D ¼ 50 mm and area A ¼ p(50 /4) ¼ 1963.5 mm . mm, and we assume that strain ¼ 0.002, at which the flow stress is 0:17 is computed as Forthan these75conditions, the shape K n factor f Y ¼ Ke ¼ 350ð0:002Þ ¼ 121:7 MPa 2 2 f Para estas condiciones el factor de ajuste K se calcula como f is mm computed as A ¼ p(50 /4) ¼ 1963.5 mm . For conditions, the shape factor Kf50 The these diameter is still approximately D¼ and area 0:17 0:4ð0:1Þð50Þ Yf ¼ Ken factor ¼D350ð0:002Þ ¼ area 121:7 The is still approximately ¼ 50 mm and ¼ p(502/4) ¼ 1963.5 mm2. is computed asAMPa Fordiameter these conditions, the shape K f Kf ¼ 1 þ 0:4ð0:1Þð50Þ ¼ 1:027 75 For  2/4) ¼ 1963.5 mm2. is computed as A ¼ p(50 conditions, the shapeKfactor þK 1:027 f 50 f ¼ 1D Thethese diameter is still approximately ¼0:4ð0:1Þð50Þ mm and¼area 75 The forging force is the shape ¼ 1 þKf is computed ¼ 1:027 Kf factor as For these conditions, 0:4ð0:1Þð50Þ 75 The forging force is ¼ 1 þ ¼ 1:027 K f La fuerza de forjado es F ¼ 1:027ð121:7Þð1963:5Þ ¼ 245; 410 N 75 0:4ð0:1Þð50Þ The forging force is ¼ F ¼K1:027ð121:7Þð1963:5Þ ¼ 1:027 245; 410 N f ¼1þ The forging 75 h ¼ 62 force mm, is At  F ¼ 1:027ð121:7Þð1963:5Þ ¼ 245; 410 N At hforging ¼ 62 mm, The force is F ¼ 1:027ð121:7Þð1963:5Þ ¼ 245; 410 N 75 At h ¼ 62 mm, e ¼ ln 75 ¼ lnð1:21Þ ¼ 0:1904 A una h = 62 mm, F ¼ 1:027ð121:7Þð1963:5Þ 410 N At h ¼ 62 mm, e ¼ ln 62 ¼ lnð1:21Þ¼¼245; 0:1904 75 62 17 Yef ¼ 350ð0:1904Þ ¼¼ 264:0 MPa ln ¼ lnð1:21Þ 0:1904 At h ¼ 62 mm, 17 7562 Y¼ 350ð0:1904Þ ¼ 264:0 MPa f ¼ e ln ¼ lnð1:21Þ ¼ 0:1904 17 Assuming constant volume,Yand neglecting barreling, 62 75 ¼ 350ð0:1904Þ ¼ 264:0 MPa f e and ¼ lnneglecting ¼ lnð1:21Þ ¼ 0:1904 17barreling, ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi Assuming constant volume,  Y f ¼ 350ð0:1904Þ ¼ 264:0r MPa 62 ð2375:2Þffi Assuming constant volume, and neglecting barreling,r4ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi 2 17 A ¼ 147; 262=62 ¼ 2375:2 mm and ¼ MPa ¼ 55:0 mm 4ð2375:2 Y 350ð0:1904Þ ¼D264:0 f ¼neglecting 2 Assuming constant volume, and p Þffi ¼ 55:0 mm A ¼ 147; 262=62 ¼ 2375:2 mmbarreling, and D ¼ rffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi 4ð2375:2 Si se supone un volumen constante y no se toma en cuenta r el ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi abarrilamiento, p ffi Þ 0:4 ð0:1and Þð¼ 55 Þneglecting Assuming constant volume, A¼ ¼ 1147; 262=62 2375:2 mm2barreling, and D ¼ ¼ 55:0 mm þ 0:4 ¼ 1:035 K 4ð2375:2 f ð0:1 Þ ð 55 Þ p Þffi 2 ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi r 62 AK¼ 147; 262=62 ¼ 2375:2 mm and D ¼ ¼ 55:0 mm ¼ 1:035 f ¼1þ p375.2) 0:4ð0:1 62Þð55Þ ¼ 649; 44(2 ð2375:2 Þ F ¼ 1:035ð264Þð2375:2Þ 303 N 2 1 þ262=62 ¼ 22375:2 ¼ 1:035 and Kf¼¼147; AF ¼ 55:0 mm y D 0:4ð0:1Þð55Þ 375.2¼mm ¼ 1:035ð264Þð2375:2Þ 649; 303 N¼ p þ mm, F 62 ¼ 1:035 Kfh¼¼149 Similarly, at ¼ 955,642 N; and at h ¼ 36 mm, F ¼ 1,467,422 N. The load1:035ð264Þð2375:2Þ ¼ 62 0:4ð0:1 Þð55 Þ Similarly, atKF hin¼ ¼¼149 F¼ 955,642 N;649; and303 at hN¼ 36values mm, Fin¼this 1,467,422 N. The loadstroke curve 13.12 was developed from example. & þmm, ¼ 1:035 f¼ Figure F 1:035ð264Þð2375:2Þ ¼ 649; 303 N the 62 stroke curve in Figure 13.12 was developed from the values in this example. & Similarly, at h ¼ 49 mm, F ¼ 955,642 N; and at h ¼ 36 mm, F ¼ 1,467,422 N. The load  2was 375.2developed 1:035ð264Þð2375:2Þ ¼ 649; Similarly, at hF¼ mm, 13.12 F ¼ 955,642 N; and 303 atfrom hN¼ 36 F ¼in1,467,422 N. The load-& stroke curve in¼49 Figure themm, values this example. stroke curve Figure 13.12 developed example. & Similarly, at in h¼ 49 mm, F ¼was 955,642 N; andfrom at h the ¼ 36values mm, Fin¼this 1,467,422 N. The loadDe igual manera, a una h = 49 mm, F = 995 642 N, y a h = 36 mm, F = 1 467 422 N. La curva & stroke curve in Figure 13.12 was developed from the values in this example. 1500 carga versus carrera de la figura 13.12 se construyó con los valores de este ejemplo. ■ 1500

Forging (1000 N) Forging forceforce (1000 N)force Forging (1000 Forging force (1000 Forging force (1000 N) N) N)

1500 1500 1500 1000 1000

1 500

FIGURE 13.12 Upsetting force as a FIGURE 13.12 force as a function of heightUpsetting h and height reduction function of height h and height reduction FIGURE 13.12 Upsetting force as a the (ho – h). This plot is sometimes called h). This plot ish sometimes called (h function of height and height reduction o – stroke FIGURE 13.12 Upsetting force as a the load curve. (Credit: Fundamentals th called the load stroke curve. (Credit: Fundamentals – h). This plot is sometimes (h function of height h and height reduction of Modern Manufacturing, 4 Edition o FIGURE 13.12 Upsetting force as a by of Manufacturing, 4thcalled Edition load curve. (Credit: Fundamentals –Modern h).stroke This plot is sometimes theby (hfunction Mikell P.ofGroover, 2010. Reprinted with o height h and height reduction th en funFIGURA 13.12  Fuerza de recalcado Mikell P. Groover, 2010. Reprinted with of Modern Manufacturing, 4 Edition by load stroke curve. (Credit: Fundamentals permission of John Wiley & Sons, Inc.) called the (ho – h). This plot is sometimes ción de la P. altura h yJohn de la reducción de altura permission of Wiley &thSons, Inc.) Mikell Groover, 2010. Reprinted with of Modern Manufacturing, 4 Edition by load stroke curve. (Credit: Fundamentals hMikell - h. AP.esta gráfica de laWiley llama algunas veces o permission of John & Sons, Inc.)by Groover, 2010. Reprinted with of Modern Manufacturing, 4th Edition curva carga contra carrera. (Crédito: Fundamenpermission of John 2010. Wiley Reprinted & Sons, Inc.) Mikell P. Groover, with tals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de permission of John & Sons, Mikell P. Groover, 2010.Wiley Reimpreso conInc.) autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

Fuerza de forjado (1 000 N)

C13

1000 1000 1000 500 500

1 000

500 500

5000 075 500 75 0 0 75 0 75 0 0 750 0 0

75

49 49

62 13 6213

49 26 4926

36 h (mm) 39 (ho – h) 3639 h (mm) (ho – h)

13 62 13

26 49 26

39 h((mm) ho – h) 36 39 (ho – h)

62

0

0

49

13

13

36 36

h (mm) h (mm)

62 62

36

26

26

h (mm)

39

39

(ho – h)

ho - h

268  CAPÍTULO 13  Procesos de deformación volumétrica en el trabajo de metales

Práctica del forjado en dado abierto  El forjado caliente en dado abierto es un proceso indus-

trial importante. Las formas generadas por operaciones en dado abierto son simples, como flechas, discos y anillos. Los dados en algunas aplicaciones tienen superficies con ligeros contornos que ayudan a formar el material de trabajo. Además, éste debe manipularse frecuentemente (girándolo en cada paso, por ejemplo) para efectuar los cambios de forma requeridos. La habilidad del operador es un factor importante para el éxito de estas operaciones. Un ejemplo de forjado en dado abierto en la industria del acero es el formado de grandes lingotes cuadrados para convertirlos en secciones redondas. Las operaciones de forjado en dado abierto producen formas rudimentarias que necesitan operaciones posteriores para refinar las piezas a sus dimensiones y forma final. Una contribución importante del forjado en caliente en dado abierto es la creación de un flujo de granos y de una estructura metalúrgica favorable en el metal.

13.2.2  Forjado con dado impresor El forjado con dado impresor se realiza con un dado, o matriz, que tiene la forma inversa de la requerida para la pieza. Este proceso se ilustra en una secuencia de tres pasos en la figura 13.13. La pieza de trabajo inicial se muestra como una pieza cilíndrica similar a la de las operaciones previas en dado abierto. Al cerrarse el dado y llegar a su posición final, el metal fluye más allá de la cavidad del dado y forma una rebaba en la pequeña abertura entre las placas del dado. Aunque la rebaba se debe recortar después, tiene realmente una función importante en el forjado por impresión, ya que cuando ésta empieza a formarse en el hueco del dado, la fricción se opone a que el metal siga fluyendo hacia la abertura, y de esta manera fuerza al material de trabajo a permanecer en la cavidad. En el forjado en caliente, la restricción del flujo de metal es mayor debido a que la rebaba delgada se enfría rápidamente contra las placas del dado, incrementando la resistencia a la deformación. La restricción del flujo de metal en la abertura hace que las presiones de compresión se incrementen significativamente, forzando al material a llenar los detalles algunas veces intrincados de la cavidad del dado, con lo que se obtiene un producto de alta calidad. Con frecuencia se requieren varios pasos de formado en el forjado con dado impresor para transformar la forma del tejo inicial en la forma final deseada. Para cada paso se necesitan cavidades separadas. Los pasos iniciales se diseñan para redistribuir el metal en la pieza de trabajo y conseguir así una deformación uniforme y la estructura metálica requerida en las etapas subsecuentes. Los últimos pasos le dan el acabado a la pieza final. Además, cuando se usa martinete, se pueden requerir varios golpes de martillo para cada paso. Cuando el forjado con martinete se hace a mano, como sucede a menudo, se requiere considerable habilidad del operador para lograr resultados consistentes en condiciones adversas.

v, F v, F

Dado superior Pieza del trabajo inicial

Rebaba Dado inferior 1)

2)

3)

FIGURA 13.13  Secuencia en el forjado con dado impresor: 1) inmediatamente antes del contacto inicial con la pieza de trabajo en bruto; 2) compresión parcial, y 3) cerradura final de los dados, ocasionando la formación de rebaba entre las placas de los dados. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

C13

08/16/2011

16:49:25

Page 276

13.2 Forjado  269

276

Chapter 13/Bulk Deformation Processes in Metalworking TABLA 13.1  Valores típicos de Kf para varias formas de la pieza en forjado con dado impresor y en forjado sin rebabas TABLE 13.1 Typical K values for various part shapes in impression-die and f

flashless forging Forjado con dado impresor

Kf

Forjado sin rebabas

Kf

Formas simples con rebaba Impression-die forging

6.0 Kf Acuñado (superficies superior Flashless forging   e inferior) 8.0

6.0

Formas complejas rebaba Simple shapescon with flash Formas muy complejas con rebaba Complex shapes with flash

Very complex shapes with flash

Recopilado de [13], [19] y otras fuentes.

6.0

Coining (top and bottom surfaces)

complejas 10.0 8.0 Formas Complex shapes

8.0

Kf 6.0 8.0

10.0

Compiled from [13], [19], and other sources.

drop forging is done manually, as it often is, considerable operator skill is required under Debidoconditions a la formación de rebaba en el forjado con dado impresor y a las formas más comadverse to achieve consistent results. plejas deBecause las piezasofhechas con estos dados, las fuerzas enforging este proceso sonmore considerablemente flash formation in impression-die and the complex part más grandes y más difíciles analizar quein en this el forjado en dado abierto. Con frecuencia se usan shapes made with thesededies, forces process are significantly greater and more fórmulas factores dethan diseño relativamente simples para estimar fuerzas and en eldesign forjado con difficulty to analyze in open-die forging. Relatively simplelas formulas factors dado Latofórmula la fuerza es la misma de la ecuación (13.16) para el forjado areimpresor. often used estimatedeforces in impression-die forging. The force formula is the sameenas dado abierto,Eq. pero su interpretación es ligeramente previous (13.16) for open-die forging, butdiferente: its interpretation is slightly different:

F ¼ Kf Y f A

(13.18) (13.18)

where ¼ maximum the operation, ¼ projected area of the part indonde F =F fuerza máximaforce en la in operación, N (lb); AN=(lb); áreaAproyectada de la pieza, incluyendo 22 2 (pulg ); Y ¼ flow stress of the material, MPa (lb/in ); and K ¼ forging flash, mm22);(in la cluding rebaba, mm Yf2= esfuerzo de fluencia del material, MPa (lb/pulg ), y K = factor de f f f strength ofa the metal at shape hot thecaliente, appropriate value of Yf isdethe forma delfactor. forjado.InEn elforging, forjado en el valor apropiado Yf yield es la resistencia la cedencia elevated temperature. cases,laselecting value ofdelflow stressdeis delthe metal a temperatura elevada.In Enother otros casos, selecciónthe del proper valor apropiado esfuerzo difficult the strain varies throughout workpiece for complex Kf in fluencia es because difícil porque para las formas complejasthe la deformación varía a travésshapes. de la pieza (13.18) a factor (13.18), intended in force required to forge part deEq. trabajo. En laisecuación Kfto es account un factorfor conincreases el que se intenta tomar en cuenta el incredifferent shapes complexities. Tableformas 13.1 indicates theLa range values of Kf for mento de of la various fuerza requerida para forjar complejas. tablaof13.1 muestra la escala de valores de Kf para diferentes formas la pieza. of Obviamente, problema, value for ela valor given part geometries. Obviously, thedeproblem specifyingelthe proper al Kfespecificar apropiado de limits Kf parathe unaaccuracy forma dada de trabajo, limita la precisión de la estimación de la fuerza. workpart of the force estimate. La ecuación (13.18) se aplica la fuerza máxima durantethe la operation, operación, ya quethis éstaisdetermiEq. (13.18) applies to thea maximum force during since the load nará la capacidad requerida de la prensa o martinete se use la operación. fuerza máxithat will determine the required capacity of theque press or en hammer used inLathe operation. maThe se alcanza al final deislareached carrera oatgolpe de forjado donde el área proyectada es más grande maximum force the end of the forging stroke, when the projected areayis la greatest fricción esand máxima. friction is maximum. El forjado con dado impresor nonot tiene tolerancias estrechas de trabajo y frecuentemente Impression-die forging is capable of close tolerance work, and machiningseis requiere maquinado para lograr precisión necesaria. proceso forjado genera confi-is often el required to achieve thela accuracies needed. El The basicdegeometry of thela part guración geométrica de la pieza y with el maquinado realiza los acabados de precisión se obtained from thebásica forging process, machining performed on those portionsque of the requieren en algunas porciones de la pieza (por ejemplo, orificios, roscas y superficies que deben part that require precision finishing (e.g., holes, threads, and surfaces that mate with coincidir con otros componentes). Las ventajas del forjado sobre el la other components). The advantages of forging, compared tomaquinado machiningcompleto the part de compieza son velocidades de producción más altas, conservación del metal, mayor resistencia y pletely, are higher production rates, conservation of metal, greater strength, and favororientación más favorable de los granos de metal. able grain orientation of the metal that results from forging. Las Improvements mejoras en la tecnología del forjado of conimpression-die dado impresor forging han tenido como resultado la in the technology have resulted in the capacidad de producir forjados con secciones más delgadas, formas más complejas, reducción capability to produce forgings with thinner sections, more complex geometries, drastic drástica de losin requerimientos de los ángulos de ahusamiento en los dados, tolerancias más estrereductions draft requirements on the dies, closer tolerances, and the virtual elimination chas y la virtual eliminación de tolerancias al maquinado. Los procesos de forjado con estas caof machining allowances. Forging processes with these features are known as precision racterísticas se conocen como forjado de precisión. Este forjado se clasifica propiamente como forging. Depending on whether machining is required to finish the part geometry, unprecision proceso deforgings forma neta o casi neta, dependiendo de la necesidad del maquinado para acabar are properly classified as near net shape or net shape processes. la Common forma de lawork pieza.metals Los metales de trabajo comunes utilizados el forjado precisión inused for precision forging include para aluminum anddetitanium. cluyen al aluminio y al titanio.

13.2.3 FLASHLESS FORGING 13.2.3  Forjado sin rebaba

In flashless forging, illustrated in Figure 13.14, the raw workpiece is completely contained Enwithin el forjado rebaba, se ilustra en la figura 13.14, la pieza inicial está complethesin die cavityqueduring compression, and no flash deis trabajo formed. Process control tamente contenidaare dentro de demanding la cavidad delindado durante la compresión, y no se forman rebabas. requirements more flashless forging than in impression-die forging.

270  CAPÍTULO 13  Procesos de deformación volumétrica en el trabajo de metales

v, F v, F

v, F

Punzón

Pieza de trabajo inicial

Pieza terminada Matriz 1)

2)

3)

FIGURA 13.14  Forjado sin rebaba: 1) inmediatamente antes del contacto inicial con la pieza de trabajo, 2) compresión parcial y 3) final de la carrera del punzón y cierre de la matriz. Los símbolos v y F indican movimiento (v = velocidad) y fuerza aplicada, respectivamente. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

Los requisitos para el control del proceso son más demandantes en el forjado sin rebaba que en el forjado con dado impresor. Más importante es que el volumen de la pieza de trabajo inicial debe igualar al volumen de la cavidad de la matriz dentro de muy estrechas tolerancias. Si la pieza en bruto inicial es demasiado grande, la presión excesiva puede causar daño a la matriz o a la prensa. Si la pieza en bruto es demasiado pequeña, no se llenará la cavidad. Debido a este requerimiento especial, el proceso es más adecuado en la manufactura de piezas geométricas simples y simétricas, y para trabajar metales como el aluminio, el magnesio o sus aleaciones. El forjado sin rebaba se clasifica frecuentemente como un proceso de forjado de precisión [5]. Las fuerzas en el forjado sin rebaba alcanzan valores comparables a las del forjado con dado impresor. Estas fuerzas se pueden estimar usando los mismos métodos para el forjado con dado impresor: ecuación (13.18) y tabla 13.1. El acuñado es una aplicación especial del forjado sin rebaba mediante el cual se imprimen los finos detalles del dado en la superficie superior y en el fondo de la pieza de trabajo. En el acuñado hay poco flujo de metal; no obstante, las presiones requeridas para reproducir los detalles superficiales de la cavidad del dado son altas, como se indica por el valor Kf en la tabla 13.1. Una aplicación común del acuñado es desde luego la acuñación de monedas, que se ilustra en la figura 13.15. El proceso se usa también para dar acabados superficiales y de precisión dimensional a algunas piezas fabricadas mediante otras operaciones.

13.2.4  Dados de forjado, martinetes y prensas El equipo que se usa en forjado consiste en máquinas de forja, que se clasifican en martinetes o prensas, y los dados de forjado, que son herramentales especiales que se usan en estas máquinas; equipos auxiliares como hornos para calentar el material de trabajo, dispositivos mecánicos para cargar y descargar el material de trabajo y estaciones de recortado para recortar las rebabas del forjado con dado impresor. Martinetes de forja  Estos martinetes funcionan aplicando una descarga por impacto contra el material de trabajo. Como se muestra en las figuras 13.16 y 13.17, el término martinete de caída libre se usa frecuentemente para designar estas máquinas, por la forma de liberar la energía de impacto. Los martinetes de caída libre se usan más frecuentemente para forjado con dado impresor. La parte superior del dado de forjado se fija al pistón y la parte inferior se ajusta al yunque.

13.2 Forjado  271

v

v

Punzón

v, F Pieza terminada

Forma inicial

Dado 1)

v

Retén 2)

3)

FIGURA 13.15  Operación de acuñado: 1) inicio del ciclo, 2) tiempo de compresión y 3) remoción de la pieza terminada. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

En la operación, el material de trabajo se coloca en el dado inferior, el martillo se eleva y luego se deja caer sobre la pieza de trabajo. Cuando el dado superior golpea la pieza, la energía de impacto ocasiona que ésta tome la forma de la cavidad del dado. Se necesitan varios golpes de martillo para lograr el cambio deseado en la geometría. Una desventaja del martinete de caída libre es que una gran parte de la energía del impacto se transmite a través del yunque al piso del edificio.

FIGURA 13.16  Martinete de forjado de caída libre alimentado por un transportador, y unidades de calentamiento a la derecha de la foto. Foto cortesía de AjaxCeco. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

272  CAPÍTULO 13  Procesos de deformación volumétrica en el trabajo de metales

Cabezal que contiene el cilindro Barra de martillo Bastidor Ariete

FIGURA 13.17  Detalles de un martinete de caída libre para forjado con dado impresor. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

Yunque

Prensas de forjado  Las prensas aplican una presión gradual en lugar de impactos repentinos

para realizar las operaciones de forja. Las prensas de forjado incluyen prensas mecánicas, hidráulicas y de tornillo. Las prensas mecánicas funcionan por medio de excéntricos, biela-manivela y juntas articuladas que convierten el movimiento giratorio de un motor en movimientos de traslación del ariete. Estos mecanismos son muy similares a los que se usan en las prensas de estampado (sección 14.5.2). Las prensas mecánicas típicas alcanzan fuerzas muy altas hacia el final del recorrido de forjado. Las prensas hidráulicas usan un cilindro hidráulico para accionar el ariete. Las prensas de tornillo aplican la fuerza por medio de un tornillo que mueve al ariete vertical. Tanto las prensas de tornillo como las hidráulicas operan a velocidades bajas del ariete y pueden suministrar una fuerza constante a través de la carrera. Por tanto, estas máquinas son apropiadas para las operaciones de forjado (y otras operaciones de formado) que requieren grandes carreras. Dados de forjado  Es importante el diseño apropiado de los dados para el éxito de la operación

de forjado. Las piezas que se forjan deben diseñarse con base en el conocimiento de los principios y limitaciones de este proceso. El objetivo es describir parte de la terminología y algunos lineamientos que se usan en el diseño de dados para forja. El diseño de los dados abiertos es generalmente recto, ya que su forma es relativamente simple. Estos comentarios se aplican a los dados impresores y a los dados cerrados. La figura 13.18 muestra parte de la terminología en un dado de impresión. A continuación se analiza la terminología y se indican algunos de los principios y limitaciones que deben considerarse para el diseño de las piezas o para la selección del forjado como el proceso para fabricar la pieza [5]:

Ángulo interior Ángulo exterior de ahusamiento de ahusamiento

FIGURA 13.18  Terminología para un dado convencional en forjado con dado impresor. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

Esquina

Filete

Canal de desahogo de rebaba

Dado superior Línea de separación

Costilla

Alma

Rebaba Cordón de rebaba

Dado inferior

13.2 Forjado  273

• Línea de separación. La línea de separación o partición es el plano que divide la parte superior del dado de la parte inferior. La llamada línea de rebaba en el forjado con dado impresor es el plano donde se encuentran las dos mitades del dado. Su mala selección afecta el flujo de los granos de la pieza, la carga requerida y provoca la formación de rebaba. • Ahusamiento. Es el grado de inclinación que requiere en los lados de la pieza para poder retirarla del dado. El término se aplica también al ahusamiento en los lados de la cavidad del molde. Los ángulos típicos de salida son de 3° para el aluminio y el magnesio, y de 5 a 7° para piezas de acero. Los ángulos de ahusamiento para forjados de precisión son cercanos a cero. • Almas y costillas. Un alma es una porción delgada del forjado que es paralela a la línea de separación, mientras que una costilla es una porción delgada perpendicular a la línea de separación. Estas características de la pieza dificultan el flujo de metal al adelgazarse. • Filetes y radios de las esquinas. Los filetes y las esquinas se ilustran en la figura 13.18. Los radios pequeños tienden a limitar el flujo de metal e incrementar la resistencia en las superficies del dado durante el forjado. • Rebaba. La formación de rebaba juega un papel crítico en el forjado con dados de impresión porque causa una acumulación de la presión dentro del dado que promueve el llenado de la cavidad. Esta acumulación de presión se controla diseñando un campo para la rebaba y un canal dentro del troquel, como se muestra en la figura 13.18. El campo determina el área superficial a lo largo de la cual ocurre el flujo lateral del metal, controlando así el incremento de la presión dentro del dado. El canal de desahogo de rebaba permite que escape material en exceso y evita que la carga de forjado se eleve a valores extremos.

13.2.5  Otros procesos relacionados con el forjado Además de las operaciones convencionales de forja descritas en las secciones anteriores hay otras operaciones de formado de metal que se asocian muy cerca con el forjado. Recalcado y cabeceado  El recalcado (también llamado forjado de recalcado) es una opera-

ción de deformación en la cual una parte o pieza de trabajo cilíndrica aumenta su diámetro y reduce su longitud. Esta operación se analizó en nuestra descripción del forjado en dado abierto (sección 13.2.1). Sin embargo, es una operación industrial que puede también ejecutarse en dados cerrados, como se observa en la figura 13.19.

Matriz mordaza

Tope Punzón

Avance Alambre 1)

v, F

2)

v, F

3)

4)

FIGURA 13.19  Operación de recalcado para formar la cabeza de un perno u otro artículo similar. El ciclo consiste en: 1) el alambre se alimenta hasta el tope, 2) la matriz mordaza se cierra apretando el material y el tope se retira, 3) el punzón avanza y 4) toca fondo para formar la cabeza. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

274  CAPÍTULO 13  Procesos de deformación volumétrica en el trabajo de metales

Matriz

Punzón

Trabajo (alambre)

a)

c)

b)

d)

e)

FIGURA 13.20  Ejemplos de formación de cabezas (forjado recalcado): a) cabeza de clavo mediante dados abiertos, b) cabeza redonda formada por el punzón, c) y d) cabezas formadas por el dado y e) perno de carro formado por el matriz y dado. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

El recalcado se usa ampliamente en la industria de los sujetadores para formar cabezas de clavos, pernos y productos similares de ferretería. En estas aplicaciones se emplea frecuentemente el término cabeceado para denotar la operación. La figura 13.20 ilustra una variedad de aplicaciones de cabeceado, indicando varias configuraciones posibles del dado. Debido al uso extendido de este tipo de aplicaciones, se producen más piezas por recalcado que por cualquier otra operación de forjado. El recalcado se realiza como una operación de producción en masa, en frío, en tibio o en caliente, con máquinas especiales de recalcado por forja, llamadas formadoras o cabeceadoras. En general, estas máquinas se equipan con deslizaderas horizontales, en lugar de las verticales que se usan en los martinetes y prensas convencionales. El material con que se alimentan estas máquinas es barra o alambrón, recalcando la cabeza en su extremo y luego recortando la pieza a la longitud adecuada para hacer el artículo de ferretería deseado. Se usa el laminado de roscas (sección 13.1.4) para formar las piezas completas de pernos y tornillos. Hay límites para la cantidad de deformación que se puede alcanzar en el recalcado, definidos usualmente como la longitud máxima del material que habrá de forjarse. La longitud máxima que se puede recalcar en un golpe es tres veces el diámetro de la barra inicial. De otra manera, el metal se dobla o arruga en lugar de comprimirse para llenar adecuadamente la cavidad. Recalcado rotativo o forja radial  El recalcado rotativo, o emboquillado, y la forja radial son procesos de forjado que se usan para reducir el diámetro de un tubo o barra sólida. El recalcado rotativo se ejecuta frecuentemente sobre el extremo de una pieza de trabajo para crear una sección ahusada. El proceso de emboquillar, que se muestra en la figura 13.21, se realiza por medio de dados rotatorios que golpean en una pieza de trabajo radialmente hacia dentro para ahusarla conforme la pieza avanza dentro de los dados. Algunas veces se requiere un carrete para controlar la forma y tamaño del diámetro interno de las piezas tubulares que se estampan. El forjado radial es similar al recalcado rotativo en su acción contra la pieza y se usa para crear formas similares. La diferencia es que en el forjado radial los dados no giran alrededor de la pieza de trabajo; en su lugar, el material de trabajo es el que gira al avanzar dentro de los dados martillo. Punzonado de cavidades (nota de R.T.: también se le conoce como clavado)  En este proceso de deformación se prensa una forma de acero endurecido sobre un bloque de acero blando (u otro metal suave). El proceso se usa frecuentemente para hacer cavidades de moldes para moldeo de plásticos y matrices de inyección, como se sugiere en la figura 13.22. La forma de acero endurecido se llama punzón, y está maquinada con la forma de la pieza que se va a moldear. Para forzar el punzón dentro del bloque de metal blando se requiere una presión sustancial, lo cual se logra generalmente con una prensa hidráulica. La formación completa de la cavidad del punzón en el bloque requiere frecuentemente varios pasos, como el clavado seguido de recocido

13.2 Forjado  275

Dado Trabajo

Diámetro final

Diámetro inicial Alimentación

FIGURA 13.21  Proceso de recalcado rotativo para reducir barra sólida; los dados giran mientras martillan el trabajo. En el forjado radial, la pieza de trabajo gira mientras el dado permanece en una orientación fija al martillar el trabajo. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

para remover el endurecimiento por deformación. Cuando el bloque de material se ha deformado en cantidades significativas, como se muestra en la figura, se elimina el exceso por maquinado. La ventaja del punzonado de cavidades es que es más fácil maquinar la forma positiva que erosionar la cavidad negativa. Esta ventaja se multiplica en los casos donde se tienen que hacer cavidades múltiples en el bloque del dado. Forjado isotérmico  Este término se aplica a operaciones de forjado caliente donde la pieza de trabajo se mantiene a temperaturas cercanas a su temperatura elevada inicial durante la deformación, usualmente mediante el calentamiento de los dados a esa misma temperatura elevada. Si se evita que la pieza de trabajo se enfríe al contacto con la superficie fría de los dados, como se hace en el forjado convencional, el metal fluye más fácilmente y la fuerza requerida para realizar el proceso se reduce. El forjado isotérmico es más costoso que el forjado convencional y se reserva para metales difíciles de forjar, como el titanio y las superaleaciones, y para piezas complejas. El proceso se lleva a cabo algunas veces al vacío para evitar la oxidación rápida del material del dado. Similar al forjado isotérmico es el forjado con dado caliente, en el cual se calientan los dados a una temperatura un poco menor que la del metal de trabajo.

v

v, F

Ariete de la prensa FIGURA 13.22  Punzonado de cavidades (o clavado): 1) antes de la deformación y 2) al completarse el proceso. Note que el material en exceso formado por la penetración del punzón debe removerse por maquinado. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

Punzón de acero endurecido Material de trabajo

Receptáculo

1)

2)

276  CAPÍTULO 13  Procesos de deformación volumétrica en el trabajo de metales

v, F

Punzón FIGURA 13.23  Operación de recorte (proceso de cizallamiento) para remover la rebaba después del forjado con dado impresor. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

Rebaba Troquel

Bordes de corte

Recortado1  Esta operación se usa para remover la rebaba de la pieza de trabajo en el forjado

con dado impresor. El recortado en la mayoría de los casos se realiza por cizallamiento, como en la figura 13.23, en la cual un punzón fuerza el tejo forjado a través de un troquel de corte, cuyos bordes de corte tienen el perfil de la pieza deseada. El recorte se hace usualmente mientras el trabajo está aún caliente; esto significa que se debe incluir una prensa de recortado separada por cada martinete o prensa. En los casos donde el trabajo podría dañarse por el proceso de corte, el recortado puede hacerse por medios alternos, como esmerilado o aserrado.

13.3 Extrusión La extrusión es un proceso de formado por compresión en el cual el metal de trabajo es forzado a fluir a través de la abertura de un dado para darle forma a su sección transversal. El proceso puede parecerse a apretar un tubo de pasta de dientes. La extrusión data de 1800. Las ventajas de los procesos modernos incluyen: 1) se puede extruir una gran variedad de formas, especialmente con extrusión en caliente; 2) la estructura del grano y las propiedades de resistencia se mejoran con la extrusión en frío o en caliente; 3) son posibles tolerancias muy estrechas, en especial cuando se usa extrusión en frío; 4) en algunas operaciones de extrusión se genera poco o ningún material de desperdicio. Sin embargo, una limitación es que la sección transversal de la pieza extruida debe ser uniforme en toda su longitud.

13.3.1  Tipos de extrusión La extrusión se lleva a cabo de varias maneras. Una distinción importante es entre la extrusión directa y la extrusión indirecta. Otro criterio es la temperatura de trabajo: en frío, en tibio o en caliente. Por último, el proceso de extrusión puede ser continuo o discreto. Extrusión directa versus extrusión indirecta  La extrusión directa (también llamada extrusión hacia delante) se ilustra en la figura 13.24. Un tocho de metal se carga en un recipiente, y un pisón comprime el material forzándolo a fluir a través de una o más aberturas en un dado al extremo opuesto del recipiente. Al aproximarse el ariete al dado, una porción pequeña del tocho permanece y no puede forzarse a través de la abertura del dado. Esta porción extra, llamada tope o cabeza, se separa del producto, cortándola justamente después de la salida del dado. Un problema en la extrusión directa es la gran fricción que existe entre la superficie del trabajo y las paredes del recipiente al forzar el deslizamiento del tocho hacia la abertura del dado.

1

Nota del R.T.: debido a que se remueve exceso de metal mediante un troquel, a esta operación también se le denomina comúnmente como troquelado. Se usará el término “recortado” para uniformizar con el término del capítulo 14.

13.3 Extrusión  277

Contenedor FIGURA 13.24  Extrusión directa. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

Ariete

Forma final de trabajo

v, F Dado Tocho

Esta fricción ocasiona un incremento sustancial de la fuerza requerida en el ariete para la extrusión directa. En la extrusión en caliente este problema se agrava por la presencia de una capa de óxido en la superficie del tocho, que puede ocasionar defectos en los productos extruidos. Para resolver este problema se usa un bloque simulado entre el ariete y el tocho; el diámetro del bloque es ligeramente menor que el diámetro del tocho, de manera que en el recipiente queda un anillo estrecho de metal de trabajo (capas de óxido en su mayoría), dejando el producto final libre de óxidos. En la extrusión directa se pueden hacer secciones huecas (por ejemplo, tubos) por medio del proceso que se ilustra en la figura 13.25. El tocho inicial se prepara con una perforación paralela a su eje. Esto permite el paso de un mandril que se fija en el bloque simulado. Al comprimir el tocho, se fuerza al material a fluir a través del claro entre el mandril y la abertura del dado. La sección transversal resultante es tubular. Otras formas semihuecas se extruyen usualmente de esta misma manera. El tocho inicial en la extrusión directa es generalmente redondo, pero la forma final queda determinada por la abertura del dado. Obviamente, la dimensión más grande de la abertura del dado debe ser más pequeña que el diámetro del tocho. En la extrusión indirecta, también llamada extrusión hacia atrás y extrusión inversa (figura 13.26a), el dado está montado sobre el ariete en lugar de estar en el extremo opuesto del recipiente. Al penetrar el ariete en el trabajo fuerza al metal a fluir a través del claro en una dirección opuesta a la del pisón. Como el tocho no se mueve respecto al recipiente, no hay fricción en las

Recipiente

Forma final del trabajo

Ariete

v, F

FIGURA 13.25  a) Extrusión directa para producir una sección transversal hueca o semihueca, b) hueca y c) semihueca. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

Mandril Tocho

Dado a)

b)

c)

278  CAPÍTULO 13  Procesos de deformación volumétrica en el trabajo de metales

Contenedor

Contenedor

F, v v, F

Ariete

Ariete hueco Dado

Forma final de trabajo a)

Tocho

Forma final del trabajo

Dado

Tocho

b)

FIGURA 13.26  Extrusión indirecta para producir a) una sección transversal sólida y b) una sección transversal hueca. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

paredes del recipiente. Por consiguiente, la fuerza del ariete es menor que en la extrusión directa. Las limitaciones de la extrusión indirecta se deben a la menor rigidez del ariete hueco y la dificultad de sostener el producto extruido tal como sale del dado. La extrusión indirecta puede producir secciones (tubulares) huecas, como las de la figura 13.26b). En este método el pisón presiona en el tocho, forzando al material a fluir alrededor del pisón y tomar una forma de copa. Hay limitaciones prácticas en la longitud de la pieza extruida que pueden resolverse por este método. El sostenimiento del pisón se convierte en un problema a medida que la longitud de trabajo aumenta. Extrusión en frío versus extrusión en caliente  La extrusión se puede realizar ya sea en frío o en caliente, dependiendo del metal de trabajo y de la magnitud de la deformación a que se sujete el material durante el proceso. Los metales típicos que se extruyen en caliente son aluminio, cobre, magnesio, zinc, estaño y sus aleaciones. Estos mismos materiales se extruyen algunas veces en frío. Los aceros aleados se extruyen usualmente en caliente, aunque los grados más blandos y más dúctiles se extruyen algunas veces en frío (por ejemplo, aceros de bajo carbono y aceros inoxidables). El aluminio es probablemente el metal ideal para extrusión (en caliente o en frío), y muchos productos comerciales de aluminio se elaboran mediante este proceso (por ejemplo, perfiles estructurales y marcos para puertas y ventanas). La extrusión en caliente involucra el calentamiento previo del tocho a una temperatura por encima de su temperatura de cristalización. Esto reduce la resistencia y aumenta la ductilidad del metal, permitiendo mayores reducciones de tamaño y el logro de formas más complejas con este proceso. Las ventajas adicionales incluyen reducción de la fuerza del ariete, mayor velocidad de éste y reducción de las características del flujo de grano en el producto final. Cuando el enfriamiento del tocho entra en contacto con las paredes del recipiente es un problema, y para superarlo se usa algunas veces la extrusión isotérmica. La lubricación es un aspecto crítico de la extrusión en caliente de ciertos metales (por ejemplo, acero), y se han desarrollado lubricantes especiales que son efectivos bajo las condiciones agresivas de la extrusión en caliente. Algunas veces se usa el vidrio como lubricante de la extrusión en caliente; además de reducir la fricción, el vidrio proporciona aislamiento térmico efectivo entre el tocho y el recipiente de extrusión. En general, la extrusión en frío y en tibio se usan para producir piezas discretas, frecuentemente en forma terminada (o en forma casi terminada). El término extrusión por impacto se usa para indicar una extrusión fría de alta velocidad; este método se describe con más detalle en la sección 13.3.4. Algunas ventajas importantes de la extrusión en frío incluyen mayor resistencia debida al endurecimiento por deformación, tolerancias estrechas, acabados superficiales mejorados, ausencia de capas de óxidos y altas velocidades de producción. La extrusión en frío a temperatura ambiente elimina también la necesidad de calentar el tocho inicial. Procesamiento continuo versus procesamiento discreto  Un verdadero proceso continuo opera con estabilidad durante un periodo indefinido. Algunas operaciones de extrusión se aproxi-

286

Chapter 13/Bulk Deformation Processes in Metalworking

286 286 286

Chapter 13/Bulk Deformation Processes in Metalworking hardening, close tolerances, improved surface finish, absence of oxide layers, and high Chapter 13/Bulk Deformation in Metalworking productionProcesses rates. Cold extrusion at room temperature also eliminates the need for Chapter 13/Bulk Deformation Processes in Metalworking 13.3 Extrusión  279 hardening, close tolerances, improved surface finish, absence of oxide layers, and high

heating the starting billet. production extrusion at room temperature also eliminates the need hardening,rates. close Cold tolerances, improved surface finish, absence of oxide layers, and for high hardening, close tolerances, improved surface finish, absence of oxide layers, and high heating the starting billet. production rates. Cold extrusion at room temperature also eliminates the need for Continuous versus Discrete Processing A true process in steadyman a este ideal, produciendo secciones muy largas encontinuous un solo ciclo, perooperates estas operaciones production rates. Cold extrusion at room temperature also eliminates the need for heating the starting billet. state mode for an indefinite period time.que Some extrusion approach this ideal quedan al fin limitadas por el tamaño deloftocho se puede cargaroperations en el contenedor de extrusión. heating the versus starting billet. Continuous Discrete Processing A true continuous process operateslimited in steadyby producing very long sections in one cycle,como but these operations are ultimately by Estos procesos se describen más precisamente operaciones semicontinuas. En casi todos state mode for anstarting indefinite period of time. extrusion operations approach this ideal Continuous Discrete Processing Amás true continuous process operates inThese steadysize theversus billet that beSome loaded into the extrusion container. losthe casos lasofsecciones largas se cortan encan longitudes pequeñas en una operación posterior de Continuous versus Discrete Processing A true continuous process operates in steadyby producing very sections in one but these operations are ultimately by state mode anlong indefinite period ofcycle, time. Some extrusion operations approach this ideal processes arefor more accurately described as semicontinuous operations. In nearlylimited all cases, corte o aserrado. pter 13/Bulk Deformation Processes in Metalworkingthe state mode for an indefinite period of time. Some extrusion operations approach this ideal size of the starting billet that can be loaded into the extrusion container. These by producing very long sections in one cycle, but these operations are ultimately limited theEnlong is cut into smaller lengths in a subsequent shearing operation. unasection operación discreta de extrusión se produce una sola sawing parte o or pieza en cada ciclo deby by producing very long sections in one cycle, but these operations are ultimately limited by processes are more accurately described as semicontinuous operations. In nearly all cases, the size of the starting billet that can be loaded into the extrusion container. These InLa a discrete operation, a single is produced in each extrusion extrusión. extrusiónextrusion por impacto es un ejemplo de part este caso de procesamiento discreto. cycle. the size of the starting billet that can be loaded into the extrusion container. These the long section is cut into smaller lengths in a subsequent sawing or shearing operation. processes are more accurately described as semicontinuous operations. In nearly all cases, material flow must be the same, so the before and isafter velocitiesofcan related: Impact extrusion an example thebe discrete processing case. processes are more accurately described semicontinuous operations. Inextrusion nearlyoperation. allcycle. cases, In a section discrete operation, aas single is produced in each the long isextrusion cut into smaller lengths in a part subsequent sawing or shearing the long smaller in a subsequent sawing oreach shearing operation. Impact extrusion an into example of lengths the discrete processing case. in to w ¼ tf wf vis (13.4) o vIn o section f iscut a discrete extrusion operation, a single part is produced extrusion cycle. 13.3.2  Análisis de laImpact extrusión In extrusion a discrete is extrusion operation, single part is produced an example of the adiscrete processing case.in each extrusion cycle. Impact extrusion is como anofexample of the processing case. OF EXTRUSION are the entering exiting velocities the work. where13.3.2 vo and vfANALYSIS Laand figura 13.27 se usará referencia paradiscrete la presente revisión de algunos parámetros de exThe rolls contact the worktrusión. along an arc defined by the angle u. Each roll has radius En el diagrama se supone que tanto el tocho como la extrusión tienen una redonLet us use Figure 13.27 as a reference in discussing some of the parameters in sección extrusion. The ANALYSIS OF EXTRUSION . This velocity is greater than the R, and13.3.2 its rotational speed gives a surface velocity v daitdiagram transversal. Un parámetro importante es la relación de extrusión, también llamada relación assumes thatr both billet and extrudate are round in cross section. One important OF EXTRUSION less than exiting speed vratio, the metal entering13.3.2 speed of ANALYSIS the work vo and de reducción. relación se adefine así: Let us use its Figure 13.27 as reference incalled discussing someisof the parameters in extrusion. f. Because parameter isLa the extrusion also the flow reduction ratio. The ratio is defined:The 13.3.2 OFdiagram EXTRUSION continuous, thereANALYSIS is a gradual change in velocity of the work between the rolls. However, assumes both and extrudate aresome roundofinthe cross section. in One important Let us use Figurethat 13.27 as abillet reference in discussing parameters extrusion. The Ao the there is one point along the arc where work equals roll velocity. is the called Let us usevelocity Figure 13.27 a ratio, reference discussing some of the in extrusion. The is the extrusion also called reduction ratio. The ratio is defined: (13.19) rx ¼ diagram assumes that as both billet andinThis extrudate are round in parameters cross section. One important parameter (13.19) Af areand no-slip point, also known as the neutral point. sidebillet of this point, slipping diagram assumes that both and extrudate round in cross section. One important parameter isOn theeither extrusion ratio, also called Athe o reduction ratio. The ratio is defined: r ¼ (13.19) friction occur between roll and work. The amount of slip between the rolls and thearea work x parameter is the extrusion ratio, also called the reduction ratio. The ratio is 2defined: ¼ extrusion ratio; A ¼ cross-sectional of transversal the starting billet, mm (in2);mm and where r AA 2 x relación de extrusión; o A = área de la fsección o del tocho inicial, donde rx = o 2 2 can be measured by means of the forward slip, a term used in rolling that is defined: r ¼ (13.19) x A ¼ final cross-sectional area of the extruded section, mm (in ). The ratio applies for A o 2 2 2 f A 2 relación 2(13.19) (pulg ), yrA¼ de la sección transversal f pieza extruida, mm (pulg ). La rx ¼de la f = área finalratio; Ao ¼ cross-sectional of the starting billet, mm ); and where x vf extrusion � vr indirect extrusion. to determine true(in strain in both direct and The value of Arfarea x can be used 2valor2 de rx se puede 2usar 2para seA aplica tanto para la extrusión directa como para la indirecta. El s ¼ (13.5) ¼ final cross-sectional area of the extruded section, mm (in ). The ratio applies f ¼ extrusion ratio; A ¼ cross-sectional area of the starting billet, mm (in );for and where r extrusion, that ideal deformation occurs with no friction and no redundant work: v x given o r 2 fricción 2 determinar real de dado la deformación ideal ocurre sin 2to determine extrusion ratio; Aola¼extrusión, cross-sectional of starting mm (in ); and where rxla¼deformación can bethe used true strain in both direct and indirect extrusion. The ofque rxarea final cross-sectional area of the value extruded section, mm (in2).billet, The ratio applies for Af ¼ A 2 2 y sin trabajo redundante: o work velocity, m/sextrusion. (ft/sec); and vln speed, where s ¼ forward slip; vf ¼ final (exiting) cross-sectional area of the section, mm ). The ratiotrue applies for Aboth extrusion, given that ideal deformation occurs with no be friction and no redundant work: r¼ eThe ¼extruded rxroll ¼of ln (13.20) f ¼ final used(in to determine strain in direct and indirect value rx can Af be used to determine true strain in m/s (ft/sec). both direct given and indirect extrusion. The value of rwith xAcan extrusion, that ideal deformation occurs no friction and no redundant work: o ¼ lnwith (13.20) e ¼ and lnoccurs rxafter by (13.20) The true strain experienced the work in rolling based on deformation before extrusion, thatisideal deformation no friction and no redundant Under the given assumption of ideal (nostock friction and no redundant work),work: the A A f o thicknesses. In equation form, pressure applied by the ram to compress e ¼the ln billet rx ¼ ln (13.20) AAo through the die opening depicted in our e ¼ ln rx ¼ ln f (13.20) the assumption of (no redundant work), the figure can be asideal follows: LaUnder presión aplicada por el ariete paradeformation comprimir el tochofriction de lanoabertura del dado se desAaf travésand tocomputed pressure applied by the ram to compress the billet through the die opening depicted in our (13.6) e ¼ ln Under the assumption of ideal deformation (no friction and no redundant work), cribe en la figura y se puede calcular bajopla¼suposición de deformación ideal (sin fricción nithe rx friction (13.21) Y f ln(no tfcomputed Under the assumption of ideal deformation and no redundant work), the figure can be as follows: pressure applied by the ram to compress the billet through the die opening depicted in our trabajo redundante) como sigue: 2 opening depicted in our pressure applied by the ram to compress the billet through the die figure can be computed as follows: we where Y f ¼ average flow stress duringp deformation, ln rxworkMPa (lb/in ). For convenience, (13.21) ¼Y tof the The true strain can be used to determine the be average flow stress Y f applied figure can computed as previous follows: restate Eq. (12.2) from the chapter: (13.21) material in flat rolling. Recall from the Y previous chapter, Eq. 12.2, that p ¼ Y f ln rx MPa(13.21) (lb/in2). For convenience, we where f ¼ average flow stress during pdeformation, (13.21) ¼ Y f lnn rx 2 restate Eq. (12.2) from the previous chapter: Ke ¼ average flow stress during MPa (lb/in ). For convenience, we where Y f Ke n Y f deformation, ¼ 2 2). Por conve¼ (12.2) average flowthe stress duringchapter: deformation, MPa (lb/in ).(lb/pulg For convenience, we where donde = de fluencia promedio durante deformación, MPa Yf Y ¼Eq. f esfuerzo 1 þlann(13.7) restate from previous 1 þ n Ke restate (12.2) from the previous(12.2) chapter: niencia, se Eq. vuelve a expresar la ecuación del capítulo anterior como Yf ¼ 1þ Kenn n The average flow stress is used to compute estimates of force and powerYin f ¼rolling. Ke  Y f compression ¼ 1þn Friction in rolling occurs with a certain coefficient of friction, and the 1þn force of the rolls, multiplied by this coefficient of friction, results in a friction force FIGURE 13.27 Pressure between the rolls and the work. On the of theesno-slip point,sin friction force is ecuaciones anteriores subestiman De entrance hecho, la side extrusión un proceso fricción, y las and other variables in other in one direction, and on the side it islain the opposite the two totalmente deformación y ladirection. presión enHowever, una operación de extrusión. La fricción existe entre el 13.27 Pressure direct extrusion. (Credit: forcesFIGURE are not equal. The friction force on the entrance side is greater, so that the net and other13.27 variables in Fundamentals of Modern FIGURE Pressure force pulls the work through the rolls. If this were not the case, rolling would not be direct extrusion. (Credit: FIGURE 13.27 Pressure Manufacturing, and other variables inthe maximum possible draft that can be accomplished in flat possible. There is a limit to Longitud del tocho remanente th Fundamentals of Modern and other variables in Edition by Mikell (Credit: rolling4 direct with aextrusion. given coefficient of friction, defined by:

49:20

Page 264

Manufacturing, extrusion. P.direct Groover, 2010.of(Credit: Fundamentals Modern th L 4 Edition by Fundamentals of Modern Reprinted withMikell Manufacturing, (13.8) dmax ¼ m2 R th FIGURA 13.27  Presión y P. 2010. Manufacturing, permission of 4Groover, Edition byJohn Mikell th variables en la extruReprinted with 4 Edition by2010. Mikell Wiley & Sons, Inc.) whereotras dP. ¼ maximum draft, mm (in); m ¼ coefficient of friction; and R ¼ roll radius mm Groover, max sión directa. (Crédito: permission of John P. Groover, 2010. Reprinted with (in). The equation indicates that if friction were zero, draft would be zero, and it would be Fundamentals ofInc.) Modern Presión del ariete, p Do Df Wiley & Sons, Reprinted with permission of John the rolling operation. impossible to accomplish Manufacturing, 4a. ed., de permission of Wiley & Sons, Inc.) Coefficient ofJohn friction in rolling depends on lubrication, work material, and Mikell P. Groover, 2010. Wiley & Sons, Inc.) working temperature. In cold rolling, the value is around 0.1; in warm working, a typical Reimpreso con autorización

valuedeisJohn around and in hot rolling, m is around 0.4 [16]. Hot rolling is often Wiley 0.2; & Sons, Inc.) characterized by a condition called sticking, in which the hot work surface adheres to the rolls over the contact arc. This condition often occurs in the rolling of steels and hightemperature alloys. When sticking occurs, the coefficient of friction can be as high as 0.7. The consequence of sticking is that the surface layers of the work are restricted to move at the same speed as the roll speed vr; and below the surface, deformation is more severe to allow passage of the piece through the roll gap.

material flow must be the same, so the before and after velocities can be related: to wo vo ¼ tf wf vf

(13.4)

287 287 287 287 287 287 where vo and vf are the entering and exiting velocities of the work. InInfact, fact, extrusion isis not frictionless process, and the previous equations grossly 280  CAPÍTULO de deformación volumétrica en el trabajo de metales fact, extrusion not frictionless process, andthe theprevious previousequations equationsgrossly grossly extrusion is not aaaaau. frictionless process, and The rolls contact13  theProcesos work along anInIn arcfact, defined by the angle Each roll has radius extrusion is not frictionless process, and previous grossly In fact, extrusion is not frictionless process, and the theoperation. previous equations equations grossly In fact, extrusion is not a frictionless process, and the previous equations grossly underestimate the strain and pressure in an extrusion Friction exists underestimate the strain and pressure in an extrusion operation. Friction exists the strain and pressure in an extrusion operation. Friction exists . This velocity is greater than the R, and its rotational speed gives itunderestimate aunderestimate surface velocity v r strain the and pressure in an extrusion operation. Friction exists underestimate the strain and pressure in an extrusion operation. Friction exists underestimate the strain and pressure in an extrusion operation. Friction exists between the die and the work as the billet squeezes down and passes through the between the die and the work as the billet squeezes down and passes through the between the die and the work as the billet squeezes down and passes through the less than its exiting speed v . Because the metal flow is entering speed of the work vo and fmedida between the die and the work as the billet squeezes down and passes through the between the die and the work as the billet squeezes down and passes through the dado y el material de trabajo, a que el tocho se comprime y pasa a través de la abertura between the die and the work as the billet squeezes down and passes through the die opening. In direct extrusion, friction also exists between the container wall and the die opening. In direct extrusion, friction also exists between the container wall and the die opening. In direct extrusion, friction also exists between the container wall and the continuous, there is a gradual change in velocity of the work between the rolls. However, die opening. In direct extrusion, friction also exists between the container wall and the die opening. In direct extrusion, friction also exists between the container wall and the delbillet dado. En la extrusión directa también existe la fricción entre la pared del contenedor y la sudie opening. In direct extrusion, friction also exists between the container wall the surface. The effect ofoffriction friction isisto totoincrease increase the strain experienced by the metal. billet surface. The effect friction increase the strainexperienced experienced by theand metal. billet surface. The effect of is the strain by the metal. there is one point along the arc where work velocity equals roll This called the billet surface. The effect of friction is to increase the strain experienced by the metal. billet surface. The effect ofvelocity. frictionla isdeformación toisthat increase the strain experienced by thetanto, metal. perficie del tocho. La fricción incrementa experimentada por elwhich metal. Por billet surface. The effect of friction is to increase the strain experienced by the metal. Thus, the actual pressure is greater than given by Eq. (13.21), assumes no Thus,the theactual actual pressure is greater than thatgiven given byEq. Eq.(13.21), (13.21),which whichassumes assumesno no Thus, pressure that no-slip point, also known as thelaneutral On either of this point, slipping andby Thus, the pressure is greater than that by (13.21), assumes Thus,point. the actual actual pressure isgreater greater than that given given by Eq. Eq. supone (13.21),lawhich which assumes no presión real es mayor queside la isobtenida enthan la ecuación (13.21), que no existencia deno Thus, the actual pressure is greater than that given by Eq. (13.21), which assumes no friction. friction. friction. friction occur between roll and work. The amount of slip between the rolls and the work friction. C13 08/16/2011 16:49:20 Page 264 friction. fricción. friction. Various methods have been suggested totocalculate calculate the actual true strain and Various methods have beensuggested suggested calculatethe theactual actualtrue truestrain strainand and Various have can be measured by means of the forward slip, methods amethods term in been rolling that is defined: Various have been to the true strain and Se han sugerido variosused métodos para suggested calcular lato deformación real yactual la[19]. presión ariete Various methods have been suggested to calculate calculate the actual truedel strain and Various methods have been suggested to calculate the actual true strain and associated ram pressure in extrusion [1], [3], [6], [11], [12], and The following associated ram pressure in extrusion [1], [3], [6], [11], [12], and [19]. The following associated ram pressure in extrusion [1], [3], [6], [11], [12], and [19]. The following associated ram pressure in extrusion [1], [3], [6], [11], [12], and [19]. The following v � v asociada en la extrusión [1], [3], [6], [11], [12] y [19]. La siguiente ecuación empírica propuesta associated ram pressure in extrusion [1], [3], [6], [11], [12], and [19]. The following f equation r associated ram pressure in by extrusion [1], [3], [6], [11], [12], and [19]. The following empirical proposed by Johnson [11] for estimating extrusion strain has gained s ¼ equation (13.5) empirical equation proposed byJohnson Johnson [11] for estimating extrusion strain has gained proposed for extrusion strain empirical proposed by [11] for estimating extrusion strain has gained porempirical Johnson [11] para estimar la deformación de extrusión ha ganado considerable reconociempirical equation proposed by Johnson Johnson[11] [11] forestimating estimating extrusion strainhas hasgained gained vequation r recognition: empirical equation proposed by Johnson [11] for estimating extrusion strain has gained considerable considerable recognition: considerable recognition: considerable recognition: miento: considerable recognition: considerable recognition: where s ¼ forward slip; vf ¼ final (exiting) work velocity, m/s (ft/sec); and vr ¼ roll speed, ¼¼aaaþ þþbbbln lnlnrrxrx (13.22) (13.22) (13.22) eexexeexx¼ m/s (ft/sec). ln (13.22) ¼ aaa þ þb lnxrrrxxx (13.22) (13.22) ¼ þ bbProcesses ln (13.22) exx ¼ Chapter 13/Bulk Deformation in Metalworking 264 The true strain experienced by the work in rolling is based on before and after stock ¼¼extrusion extrusion strain; and and are empirical constants for given die angle. where extrusionstrain; strain;and andaaaaand andbbbbare areempirical empiricalconstants constantsfor foraaaagiven givendie dieangle. angle. whereeexexex¼ where thicknesses. In equation form, donde and are empirical constants die angle. where ¼ extrusion extrusion strain; andare: and b are empirical constants for a given given die angle. where edeformación ϵx =evalues destrain; extrusión, yaa and ya b¼son constantes empíricas parafor el of ángulo del dado. xx ¼ ¼ extrusion strain; and and b are empirical constants for a given die angle. where Typical of these constants 0.8 and b ¼ 1.2 to 1.5. Values a and b tend to x material flow must be the same, so the before and Typical values of these constants are: a ¼ 0.8 and b ¼ 1.2 to 1.5. Values of a and b tend to after velocities Typical values of these constants are: a ¼ 0.8 and b ¼ 1.2 to 1.5. Values of a and b tend to Typical values of these constants are: a ¼ 0.8 and b ¼ 1.2 to 1.5. Values of a and b tend to Typical values of these constants are: a ¼ 0.8 and b ¼ 1.2 to 1.5. Values of and b tend to Losincrease valores típicos de estas constantes son a = 0.8 y b = 1.2 a 1.5. Los valores de a y b tienden Typical values of these constants are: a ¼ 0.8 and b ¼ 1.2 to 1.5. Values of a and b tend to with increasing die angle. to increasing increase with increasing die angle. increase with die angle. increase with increasing die angle. increase with increasing die angle. a aumentar cuando se incrementa el ángulo del dado. (13.6) e ¼ ln increase increasing die angle. The ram pressure totoperform perform indirect extrusion can be estimated to wbased vbased w obased o ¼ ton fon f vf Thewith pressureto performindirect indirectextrusion extrusioncan canbe beestimated estimated on tram The ram pressure f The ram pressure to indirect extrusion can estimated based La presión del ariete para ejecutar laasextrusión indirecta se puede estimar con base en laon Theextrusion ram pressure to perform perform indirect extrusion can be be estimated based on The ram pressure to perform indirect extrusion can be estimated based on Johnson’s strain formula follows: Johnson’sextrusion extrusionstrain strainformula formulaasas asfollows: follows: Johnson’s Johnson’s extrusion formula follows: fórmula de Johnson para lastrain deformación extrusión Johnson’s extrusion strain formuladeas as follows: Johnson’s extrusion strain formula follows: and sigue: vf are the entering and exiting velocities of the work where vocomo to the work The true strain can be used to determine the average flow stress Y f applied e (13.23a) p ¼ Y The rolls contact the work along an(13.23a) arc defined by the angle u. (13.23a) ¼YY Yff efxexex material in flat rolling. Recall from the previous chapter, Eq. 12.2, that pppp¼¼ (13.23a) (13.23a) (13.23a) ¼Y Yits ffeexx (13.23a) ¼ R,pand rotational speed gives it a surface velocity v . This velocit f x

Section 13.3/Extrusion Section13.3/Extrusion 13.3/Extrusion Section Section Section 13.3/Extrusion 13.3/Extrusion Section 13.3/Extrusion

r

n isKe calculated based on ideal strain from Eq. (13.20), rather than extrusion strain where YYf fis andextrusion less than strain its exiting speed vf. Beca entering speed of the work vothan iscalculated calculated based on idealstrain strain from Eq. (13.20), rather than extrusion strain where based ideal from Eq. rather where f f calcula donde se con base en on laon deformación ideal de la(13.20), ecuación (13.20), en lugar de la strain de(13.7) Y fY(13.22). ¼ is calculated based ideal strain from Eq. (13.20), rather than extrusion where Y is calculated based on ideal strain from Eq. (13.20), rather than extrusion strain where Y f is calculated based on ideal strain from Eq. (13.20), rather than extrusion strain where Y in Eq. continuous, there is a gradual change in velocity of the work between f1 þ n in Eq. (13.22). in Eq. (13.22). formación de extrusión de la ecuación (13.22). in (13.22). in Eq. Eq. (13.22). in Eq. (13.22). In direct extrusion, the effect of friction between the container walls and the billet there is one point along the arc where work velocity equals roll veloc In direct extrusion, the effect of friction between the container walls and the billet direct extrusion, effect between the container walls and the billet En laInIn extrusión directa, elthe efecto de of fricción entre las paredes del recipiente y el tocho direct extrusion, the effect of friction between the container walls and the billet In direct extrusion, thebe effect offriction friction between the container walls and theocabillet In direct extrusion, the effect of friction between the container walls and the billet causes the ram pressure to greater than for indirect extrusion. We can write the no-slip point, also known as the neutral point. On either side of thi The average flow stress is used tocauses compute estimates of force and power in rolling. causes the ram pressure to be greater than for indirect extrusion. We can write the the ram be for indirect extrusion. can write the siona que la presión del ariete to sea más grande than que para la extrusión indirecta.We Se escribir causes the ram pressure to be greater than for indirect extrusion. We can write the causes the rampressure pressure toisolates begreater greater than for indirect extrusion. Wepuede can write theof slip between th causes the ram pressure to be greater than for indirect extrusion. We can write the following expression which the friction force in the direct extrusion container: friction occur between roll and work. The amount Friction in rolling occurs with a certain coefficient of friction, and the compression following expression which isolates the friction force in the direct extrusion container: following expression the friction inin the direct extrusion container: la siguiente expresión quewhich aísla laisolates fuerza de fricción enforce elforce recipiente de la extrusión directa: following expression which isolates the friction the direct container: following expression which isolates the friction force inby the direct extrusion container: following expression which isolates friction force in the direct extrusion container: be measured means ofextrusion the forward slip, a term used in roll force of the rolls, multiplied by this coefficient of friction, results in the acan friction force 22 2 between the rolls and the work. On the entrance side of the no-slip point, friction force is pD p f v o f � vr f pD o2 mp pD L fp o2 pD ppD side it is in the opposite direction.pp  oL s¼ ffpD o2¼¼mp cpD μ p π D L mp pD L pHowever, in one direction, and on the other the two o o c o f4pDoo¼¼ c ¼ mp mpccpD pDoooL L vr 44 ¼ mp c pD forces are not equal. The friction force on the entrance side is greater,444so that the netL 22 22 2);(exiting) force pulls the work through the rolls. were not the case, required rolling would not be friction, ¼MPa final work velocity, m/s (ft/sec) sovercome ¼ forward slip; v(lb/pulg where ¼¼additional additional pressure required totoovercome overcome friction, MPa (lb/in );2);/4 pD /4 ¼ f MPa o2o/4 donde pf If =ppfpfthis presión adicional requerida para where superar la fricción, MPa πD2); = where additional pressure required friction, (lb/in pD ¼ 22/4¼ where pressure to (lb/in pD o222); f¼¼ o área where p additional pressure to overcome friction, MPa (lb/in pD /4 2 2 required 22 where p ¼ additional pressure required to overcome friction, MPa (lb/in ); pD /4¼¼ ¼ f o f o2 2accomplished 2); p ¼ additional pressure required to overcome friction, MPa (lb/in ); pD /4 ¼ 2mm 2 (pulg possible. There is a limit to the maximum possible draft that can be in flat m/s (ft/sec). (in ); m ¼ coefficient of friction at the container wall; p billet cross-sectional area, mm f o c de billet lawhere sección transversal del tocho, μ = coeficiente de fricción en la pared del reci¼coefficient coefficientofof offriction friction thecontainer containerwall; wall;ppcp¼ ¼ billetcross-sectional cross-sectionalarea, area,mm mm22(in 22); mm atat 2 (in); 2); (in friction the container wall; ¼ billet area, 2 2 at (in m¼¼ ¼coefficient coefficient of friction atthe the container wall; pccccrolling ¼ billetcross-sectional cross-sectional area,mm mm 2pD (in ););m m ¼ of friction at the container wall; p ¼ billet area, mm 2 ); rolling with a given coefficient piente; of pressure friction, defined by:tocho The true strain experienced by the work in is based on be and L ¼ area ofofde the pressure of the billet against the container wall, MPa (lb/in oπ pc cross-sectional = of presión del contra la pared delcoefficient contenedor, MPa (lb/pulg ), y D L = área and pD L ¼ area the pressure of the billet against the container wall, MPa (lb/in 22);and ); pD L ¼ area of the the billet against the container wall, MPa (lb/in o o o 2); and pD L ¼ area of the pressure of the billet against the container wall, MPa (lb/in 2 2 ); and pD L ¼ area of the pressure of the billet against the container wall, MPa (lb/in o o 2(in 2 The 2 (pulg 2equation ); and pD L ¼ area of the pressure of the billet against the container wall, MPa (lb/in 2In 2 thicknesses. form, ). right-hand side of this interface between billet and container wall, mm o la interfaz entre el tocho y la pared del recipiente, mm ). El miembro derecho de la ecua(in). Theright-hand right-handside sideofof ofthis this interfacebetween between billetand andcontainer containerwall, wall,mm mm222(in 22).The interface billet 2 2). The right-hand side this interface between billet and wall, mm m R dmax ¼indicates (in Theleft-hand right-hand side of the this interface between billet and container container wall, (13.8) mm (in (in ).).the The right-hand side of this interface between billet and wall, mm equation the billet-container friction force, and the side gives ción indica laindicates fuerza de fricción entre container tocho-contenedor, yforce, el lado izquierdo da la fuerza adicional equation indicates the billet-container friction and the left-hand side gives the equation the billet-container friction force, and left-hand side gives the equation indicates the billet-container friction force, and the left-hand side gives the t equation indicates the billet-container friction force, and the left-hand side gives othe equation indicates the billet-container friction force, and the left-hand side gives the additional ram force totoovercome overcome that friction. InIn the worst case, sticking occurs at the del pistón para superar dicha fricción. En el peor de los casos, ocurre la adherencia, o estancae ¼ ln additional ram force overcome that friction. the worst case, sticking occurs at the additional ram force to that friction. In the worst case, sticking occurs at the where dmax ¼ maximum draft, mm (in); m ¼ coefficient of to friction; and Rthat ¼ roll radiusIn mm additional ram overcome friction. the case, occurs at additional ramsoforce force to overcome that friction. In the worst worst case, sticking occurs attthe fthe additional ram force to overcome that friction. In the worst case, sticking occurs at the container wall that friction stress equals shear yield strength ofofsticking the work metal: de material, la pared del be recipiente, con loshear cual el esfuerzo de fricción iguala la resiscontainer wall so that friction stress equals yield strength thework work metal: container wall soen that friction stress yield strength of the metal: (in). The equation indicates thatmiento if friction were zero, draft would zero,equals and it shear would be container wall so that friction stress equals shear yield strength of the work metal: container wall so that friction stress equals shear yield strength of the work metal: container wall cortante so that friction equals shear yield strength of the work metal: tencia a la cedencia del metalstress de trabajo: impossible to accomplish the rolling operation. The true can be used to determine the average flow stress Y f ¼¼Y YYsstrain pD mp oL oL c pD pD L¼ pD Lrolling. Recall from the previous chapter, Eq. 12.2, mp Coefficient of friction in rolling depends on lubrication, mp work material, and pD oL spD oL cpD oL sin oL c pD ¼ Y mp material flat pD L ¼ Y pD L mp o s o c o s o c  μworking, pccpD π Do L L ¼ Y s pDo L working temperature. In cold rolling, the value is around 0.1; in warmmp a typical

22 2 ). where YYsms¼ ¼¼ shear yield strength, MPa (lb/in IfIfwe we assume that YYs s¼ ¼¼Y YYf =2, =2, then value is around 0.2; and in hot where rolling, isshear around 0.4strength, [16]. Hot rolling is often Keppnfpf f whereY shear yield strength, MPa (lb/in weassume assumethat thatY =2,then then 22). yield MPa (lb/in ). If 2we s sY¼ f ffY s 2). where Y ¼ shear yield strength, MPa (lb/in If assume that Y Y =2, then p donde Y = resistencia a la cedencia cortante, MPa (lb/pulg ). Si se supone que = ∙2, en¼ where Y ¼ shear yield strength, MPa (lb/in ). If we assume that Y ¼ Y =2, then ss ¼ f s f s s shear yield strength, MPa (lb/in ). If we assume that Y ¼ Y =2, then ppfff where Y reduces to the following: s f characterized by a condition called sticking, inthe which the hot work surface adheres to s the reduces to following: 1þn reduces to following: reduces to the following: tonces p se reduce a reduces to the following: f reduces to the following: the rolls over the contact arc. This condition often occurs in the rolling of steels and high2L temperature alloys. When sticking occurs, the coefficient of friction can beThe as high as average flow stress is used to compute estimates of force and 2L0.7. ¼¼Y YYf f2L 2L 2L atin rolling the surface layers of the work are restricted  pppfpfpf¼ 2L f The consequence of sticking is that to move Friction occurs with a certain coefficient of friction, a D ¼ Y o ¼Y YffD fD pfff ¼ o oo D D more severe the same speed as the roll speed vr; and below the surface, deformation is force of D the rolls, multiplied by this coefficient of friction, results oo to allow passage of the piece through the gap.razonamiento between the and to the work. On entrance side of the no-slip p Based on this reasoning, the following formula can be used compute ram pressure inin Con baseroll en este sefollowing puede usar la siguiente fórmula para calcular lathe presión delin Based onthis thisreasoning, reasoning,the the following formula canrolls beused used tocompute compute ram pressure Based on formula can be to ram pressure Based on this reasoning, the following formula can be used to compute ram pressure in Based on this reasoning, the following formula can be used to compute ram pressure inopposite direction in one direction, and on the other side it is in the Based on this reasoning, the following formula can be used to compute ram pressure in direct extrusion: pisón en la extrusion: extrusión directa: direct direct direct extrusion: directextrusion: extrusion: forces are not equal. The friction force on the entrance side is gre direct extrusion:     2L   force pulls the work through the rolls. If this were not the case, r   2L (13.23b) ¼¼Y YYf f  exexþ þþ2L (13.23b) 2L 2L is a limit (13.23b) ppppp¼ e (13.23b) 2L f x possible. There to the maximum possible draft that can be D ¼ Y e þ (13.23b) o ¼Y Yfff eexxx þ þDD (13.23b) p¼ (13.23b) o oo D D rolling with ao given coefficient of friction, defined by: D

o

donde el término 2L/Do representa la presión adicional debida a la fricción en la interfaz conte¼ m2 R nedor-tocho, L es la porción de la longitud del tocho remanente para extruirse y Do es eldmax diámetro original del tocho. Note que p disminuye al reducirse la longitud remanente del tocho durante el wheretípicas dmax ¼demaximum mmen(in); m ¼ de coefficient of friction; and proceso. En la figura 13.28 se presentan las curvas la presión draft, de ariete función la (in). The equation indicates that if friction were zero, draft would be z impossible to accomplish the rolling operation. Coefficient of friction in rolling depends on lubrication, w working temperature. In cold rolling, the value is around 0.1; in war value is around 0.2; and in hot rolling, m is around 0.4 [16]. H characterized by a condition called sticking, in which the hot work

288 288

Chapter 13/Bulk 13/Bulk Deformation Deformation Processes Processes in in Metalworking Metalworking Chapter

13.3 Extrusión  281

p

Presión del ariete

Extrusión directa

Formación de tope

Extrusión indirecta Empieza la extrusión verdadera Carrera del ariete

FIGURE 13.28 13.28 Typical Typical plots plots of of ram ram pressure pressure versus versus ram ram stroke stroke (and (and remaining remaining billett billett FIGURE length) for direct and indirect extrusion. The higher values in direct extrusion result from length) for direct and indirect extrusion. The higher values in direct extrusion result from Longitud remanentewall. del tocho, L friction at the container The shape of the initial pressure buildup at the beginning of friction at the container wall. The shape of the initial pressure buildup at the beginning of the plot depends on die angle (higher die angles cause steeper pressure buildups). The the plot depends on die angle (higher die angles cause steeper pressure buildups). The FIGURA 13.28  Gráficas típicas presión contra la carrera ariete (y la remanente pressure increase at the the endde oflathe the stroke is related related todel formation oflongitud the butt. butt. (Credit:del pressure increase at end of stroke is to formation of the (Credit: th tocho) para extrusión directa e indirecta. Los valores más altos de la extrusión directa resultan la fricFundamentals of of Modern Modern Manufacturing, Manufacturing, 44th Edition Edition by by Mikell Mikell P. P. Groover, Groover, 2010. 2010.de Reprinted Fundamentals Reprinted ción en las paredes del recipiente. La forma de la acumulación de la presión al inicio de la gráfica depende with permission permission of of John John Wiley Wiley & Sons, Sons, Inc.) Inc.) delwith ángulo del dado (mayores ángulos&del dado significan acumulaciones de presión más pronunciadas). El incremento de presión al final de la carrera se relaciona con la formación del tope. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de where the the term term 2L/D 2L/Doo accounts accounts for for the the additional additional pressure pressure due due to to friction friction at at the the where John Wiley & Sons, Inc.)

container-billet interface. interface. L L isis the the portion portion of of the the billet billet length length remaining remaining to to be be extruded, extruded, container-billet is the original diameter of the billet. Note that p is reduced as the remaining billet and D and Doo is the original diameter of the billet. Note that p is reduced as the remaining billet length decreases during the process. Typical plots of ram pressure as a function of ram length decreases during the process. Typical plots of ram pressure as a function of ram carrera del ariete para la extrusión directa e indirecta. La ecuación (13.23b) probablemente sostroke for direct and indirect extrusion are presented in Figure 13.28. Eq. (13.23b) stroke for direct and indirect extrusion are presented in Figure 13.28. Eq. (13.23b) breestima la overestimates presión del ariete. Laspressure. presionesWith podrían ser menores que los valores calculados probably overestimates ram pressure. With good lubrication, ram pressures wouldpor be probably ram good lubrication, ram pressures would be esta ecuación con una buena lubricación. lower than values calculated by this equation. lower than values calculated by this equation. La fuerza del ariete en la extrusión o indirecta espressure simplemente la presión p de las Ram force force in indirect indirect or direct directdirecta extrusion simply pressure from Eqs. (13.23a) (13.23a) or Ram in or extrusion isis simply pp from Eqs. or ecuaciones (13.23a) o (13.23b), respectivamente, multiplicada por el área del tocho A : : (13.23b), respectively, multiplied by billet area A o (13.23b), respectively, multiplied by billet area Aoo:

¼ pA pAoo FF ¼

(13.24) (13.24) (13.24)

where ¼ ram ram force inenextrusion, extrusion, N (lb). (lb).ElPower Power requireddeto to carry out out the extrusion donde F= delforce arietein extrusión, N N requerimiento potencia parathe llevar a cabo where FFfuerza ¼ (lb). required carry extrusion operationde is simply la operation operación extrusión es simplemente is simply ¼ Fv Fv PP ¼



(13.25) (13.25) (13.25)

where ¼ power, power, J/s (in-lb/min);FFF= ¼fuerza ram force, force, N (lb); (lb); andv v= v¼ ¼ ram velocity, velocity, m/sm/s (in/ donde P= J/sJ/s (pulg-lb/min); del ariete, N (lb); velocidad del ariete, where PPpotencia, ¼ (in-lb/min); ¼ ram N and ram m/s (in/ min). (pulg/min). min). C13

08/16/2011Ejemplo 16:49:3513.3  Page 289

Presiones de Example 13.3 13.3 Example extrusión Extrusion Extrusion

Pressures Pressures

Un tocho de 75 mm de largo y 25 mm de diámetro se extruye en una operación de extrusión directa con una75relación rx =and 4.0. El tiene una sección transversal. El ángulo del A billet billet mm long long 25 extrudido mm in in diameter diameter to be beredonda extruded in aa direct direct extrusion A 75 mm and 25 mm isis to extruded in extrusion dado (medio ángulo) = 90°. El metal de trabajo tiene un coeficiente de resistencia = 415 MPa y ¼ 4.0. 4.0. The The extrudate extrudate has has aa round round cross cross section. section. The The die die operation with with extrusion extrusion ratio ratio rrxx ¼ operation � unangle exponente de endurecimiento por deformación = 0.18. Use la fórmula de Johnson con a = The work work metal metal has has aa strength strength coefficient coefficient ¼ ¼ 415 415 MPa, MPa, and and (half-angle) ¼ ¼ 90 90� .. The angle (half-angle) 0.8strain-hardening y b = 1.5 para estimar el esfuerzo deUse extrusión. Determine la presión aplicada al extremo delto exponent ¼ 0.18. the Johnson formula with a ¼ 0.8 and b ¼ 1.5 strain-hardening exponent ¼ 0.18. Use the Johnson formula with a ¼ 0.8 and b ¼ 1.5 to tocho cuandoextrusion el ariete se mueve hacia delante. estimate strain. Determine the pressure pressure applied applied to to the the end end of of the the billet billet as as the the estimate extrusion strain. Determine the ram moves forward. Solución:  Seforward. examina la presión del ariete a las longitudes delSection tocho de L = 75 mm (valor ram moves 13.3/Extrusion 289 inicial), L = 50Let mm,usL examine = 25 mmthe y L ram = 0.pressure Se calculaatlabillet deformación real ideal, la mm deformación Solution: lengths of L ¼ 75 (starting Solution: Let us examine the ram pressure at billet lengths of L ¼ 75 mm (starting de value), extrusión usando la fórmula Johnson y¼ el 0. esfuerzo destress: fluencia strain L using andL L¼ ¼ 50 50Johnson’s mm, L¼ ¼formula, 25de mm, and Laverage Weflow compute the promedio: ideal true true strain, strain, extrusion extrusion value), mm, L 25 mm, and ¼ 0. We compute the ideal

e ¼ ln rx ¼ ln 4:0 ¼ 1:3863

ex ¼ 0:8 þ 1:5ð1:3863Þ ¼ 2:8795

Yf ¼

415ð1:3863Þ0:18 ¼ 373 MPa 1:18



L ¼ 75 mm: With a die angle of 90� , the billet metal is assumed to be forced through the die opening almost immediately; thus, our calculation assumes that maximum pressure is reached at the billet length of 75 mm. For die angles less than 90� , the pressure would build to a maximum as in Figure 13.28 as the starting billet is squeezed into the coneshaped portion of the extrusion die. Using Eq. (13.23b),

Section 13.3/Extrusion

289

strain using Johnson’s formula, and average flow stress: strain using Johnson’s formula, and average flow stress: e ¼ ln rx ¼ ln 4:0 ¼ 1:3863 ln rþx ¼ ln 4:0 ¼ 1:3863 1:5ð1:3863Þ ¼ 2:8795 e e¼¼0:8 x

282  CAPÍTULO 13 

¼ 2:8795 ex ¼ 0:8 þ 1:5ð1:3863Þ 0:18 415ð1:3863Þ Procesos de deformación volumétrica en el trabajo metales 0:18¼ 373 MPa Y f ¼ de 415ð1:3863Þ 1:18 ¼ 373 MPa Yf ¼ 1:18 � , thesebillet metal is metal assumed to beserá forced through the mm: a die del angle of de 9090°, LL =¼ 7575 mm: conWith un ángulo dado supone que el del tocho forzado a través � , the billet metal is assumed to be forced through the L ¼ 75 mm: With a die angle of 90 die opening almost immediately; thus, our calculation assumes that maximum pressure is de la abertura del dado casi inmediatamente; entonces en el cálculo se supone que la presión � maximum pressure is die opening almost immediately; thus, our calculation assumes that , the pressure would reached at the billet length of 75 mm. For die angles less than 90 máxima se alcanza a las longitudes del tocho de 75 mm. Para ángulos de dado menores a 90°, la would reached the billet as length of 75 13.28 mm. For die angles less than 90� , the pressure build to aatmaximum asenthe starting billet is squeezed into theinicial conepresión podría acumularse a in unFigure máximo, como la figura 13.28, al comprimirse el tocho build to a maximum as in Figure 13.28 as the starting billet is squeezed into the shaped portion of the extrusion die. Using Eq. (13.23b), dentro de la porción en forma de cono del dado de extrusión. Usando la ecuación (13.23b) coneshaped portion of the extrusion die. Using   Eq. (13.23b), 75 312MPa MPa p ¼ 373 2:8795 þ 2 75¼ 33312 p ¼ 373 2:8795 þ 225 ¼ 3312 MPa   25 50 566MPa MPa L ¼ 50 mm : p ¼ 373 2:8795 þ 2 50¼ 22566 L ¼ 50 mm : p ¼ 373 2:8795 þ 225 ¼ 2566 MPa 25 25 820MPa MPa  L ¼ 25 mm : p ¼ 373 2:8795 þ 2 25¼ 11820 L ¼ 25 mm : p ¼ 373 2:8795 þ 225 ¼ 1820 MPa 25 length hypothetical value in directdirecta. extrusion. In reality, it is impossible to LL =¼ 0: 0: la Zero longitud 0 esisuna valor hipotético en extrusión En realidad es imposible compriLtodo ¼ 0:elZero length is ade hypothetical value in direct extrusion. reality, it is impossible to squeeze all of metal through die opening. Instead, aInportion the billet (the mir metal athe través la aberturathe del dado. En su lugar, una porción delof tocho (el “tope”) squeeze all of the metal through the die opening. Instead, a portion of the billet (the ‘‘butt’’) remains unextruded and the pressure begins to increaseconforme rapidly as L approaches permanece sin extruir y la presión empieza a aumentar rápidamente L se aproxima a ‘‘butt’’) remains unextruded the pressure to rapidly asla L presión approaches zero. increase pressure at the of thebegins stroke is increase seen plotde of ram pressure cero. ElThis incremento deinpresión aland final deend la carrera se observa en in la the gráfica del zero. This increase in pressure at the end of the stroke is seen in the plot of ram pressure versus ramlastroke Figure is thesiguiente hypothetical minimum value of ariete contra carreraindel ariete13.28. en la Calculated figura 13.28.below El cálculo es el valor mínimo hipoversus stroke Figure 13.28. belowLis=the ram pressure that would result at Calculated Lresultar ¼ 0. cuando tético de laram presión delin ariete que podría 0. hypothetical minimum value of ram pressure that would result at  L ¼ 0.  0   p ¼ 373 2:8795 þ 2 0 ¼ 1074 MPa 074MPa MPa p ¼ 373 2:8795 þ 225 ¼ 11074  25 This is also the value of ram pressure that would be associated with indirect extrusion This is alsothe thelength value of ram pressure that would be associated with indirect extrusion & throughout the billet. Éste es también el valor de la presión del ariete que estaría asociado con la extrusión indirecta a throughout the length of the billet. & lo largo de toda la longitud del tocho. ■

13.3.3 EXTRUSION DIES AND 13.3.3  Dados y prensas de PRESSES extrusión 13.3.3 EXTRUSION DIES AND PRESSES Important factors in an extrusion die are die angle and orifice shape. Die angle, more

Fuerza del ariete (y del trabajo)

Los factores importantes en un dado de extrusión son el ángulo del dado y la forma del orificio. Important factors anisextrusion dieángulo angle anddado) orifice angle, more half-angle, shown as amitad inare Figure 13.29(a). For low angles, surface of Elprecisely ángulo deldie dado (másinprecisamente, ladie del del es elshape. ánguloDie α que searea muesprecisely die half-angle, is shown as a in Figure 13.29(a). For low angles, surface area the die is large, leading to increased friction at the die-billet interface. Higher friction tra en la figura 13.29a). Para ángulos menores, el área superficial del dado aumenta, así comoof the die islarger large,ram leading to increased thedie die-billet interface. Higher results On the otherfriction hand, aat large angle causes turbulence in también lainfricción en laforce. interfaz dado-tocho. Mayor fricción significa mayormore fuerza en el friction ariete. results in larger ram force. On the other hand, a large die angle causes more turbulence the metal flow during reduction, increasing the ram force required. Thus, the effect of die Por otra parte, un ángulo grande del dado ocasiona mayor turbulencia del flujo de metal durantein the metal flow during increasing the force required. Thus, the ofdel die on ram force is incremento areduction, U-shapeden function, inram Figure 13.29(b). An optimum die angle la angle reducción, y también la fuerzaas requerida del ariete. El efecto del effect ángulo angle on ram force is U-shaped function, as in Figure 13.29(b). optimum angle exists, as suggested bya our hypothetical plot. The optimum angleAn depends ondie various exists, (e.g., as suggested by ourbillet hypothetical plot. and Thelubrication) optimum angle ondifficult various factors work material, temperature, and isdepends therefore factors (e.g., for work material, billetjob. temperature, and rely lubrication) is therefore difficult to determine a given extrusion Die designers on rules and of thumb and judgment Contenedor todecide determine a given extrusion to the for appropriate angle. job. Die designers rely on rules of thumb and judgment to decide the appropriate angle. Our previous equations for ram pressure, Eqs. (13.23a, b), apply to a circular die for ramaffects pressure, (13.23a, b), apply to circular an die orifice.Our Theprevious shape ofequations the die orifice the Eqs. ram pressure required toaperform α to Fricción a bajo in orifice. The shape ofAthe die orifice ram required perform an extrusion operation. complex cross affects section,the such aspressure themás onealta shown Figure 13.30, Ángulo del dado extrusion operation. crossforce section, as the shape. one shown in Figure 13.30, α A complex requires a higher pressure and greater thansuch a circular The effect of the die requires a higher force than a circular The effect the die orifice shape can bepressure assessedand by greater the die shape factor, defined shape. as the ratio of the of pressure orifice shape can bea assessed byDado the shape factor, defined as extrusion the ratio of the pressure required to extrude cross section of adie given shape relative to the pressure for a Trabajo redundante más required to extrude a cross section of a given shape relative to the extrusion pressure for a alto a mayor α

a)

Óptimo

α) Ángulo del dado ((α) b)

FIGURA 13.29  a) Definición del ángulo del dado en extrusión directa; b) efecto del ángulo del dado sobre la fuerza del ariete. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

13.3 Extrusión  283

C13 C13

08/16/2011 08/16/2011

16:49:36 16:49:36

Page 291 Page 291

dado sobre la fuerza del ariete es una función en forma de U, como se muestra en la figura 13.29b). Existe un ángulo óptimo del troquel, como lo sugiere la gráfica hipotética. Este ángulo depende de varios factores como material de trabajo, temperatura del tocho y lubricación; en consecuencia, es difícil determinarlo para un trabajo de extrusión. Los diseñadores de dados usan reglas empíricas para decidir el ángulo apropiado. Las ecuaciones previas para la presión del ariete [ecuaciones (13.23a, b)] se aplican a los orificios circulares del dado. La forma del orificio del dado afecta la presión requerida del ariete FIGURE 13.29 de (a) Definition of die angletransversal in direct extrusion; effect of dierequiere angle onmás ram en una operación extrusión. Una sección compleja (b) (figura 13.30) th force. (Credit:que Fundamentals of Modern Manufacturing, Edition bydel Mikell Groover, presión y fuerza una sección circular. El efecto de la forma4 del orificio dadoP.puede valo2010. Reprinted permission of John Wiley & Sons, rarse por el factor dewith forma, definido como la relación entre laInc.) presión requerida para extruir una sección transversal de la forma dada y la presión de extrusión para una sección redonda de la misma área.cross Se puede expresar factorarea. de forma sigue: the shape factor as follows: round section of theelsame We como can express  2:25 Cx (13.26) Kx ¼ 0:98 þ 0:02 (13.26) Cc

Section 13.3/Extrusion 291 of the 13.3/Extrusion extruded cross section, where Kx ¼ die shape factor in extrusion; Cx ¼ perimeterSection 291 donde Kx = factor de forma del dado en extrusión; Cx = perímetro de la sección transversal extruisame area as the extruded shape, mm (in). mm (in); and Cc ¼ perimeter of a circle of the da, mm (pulg), y Cc = perímetro de un círculo de la misma área que la forma extruida, mm (pulg). Eq. (13.26) is(13.26) based se onbasa empirical data empíricos in Altan Altan et et al. al. [1] over over aa[1] range ofescala Cx/C /Ccde values Eq. based on empirical data in [1] range of C La (13.26) ecuaciónis en los datos de la referencia en una vax c values from 1.0 to about 6.0. The equation may be invalid much beyond the upper limit of /C desde 1.0 hasta cerca de 6.0. La ecuación puede no ser válida para valores mayores lores de C1.0 from to about 6.0. The equation may be invalid much beyond the upper limit of x c this range. al límite superior de esta escala. this range. As indicated byecuación Eq. (13.26), (13.26), theelshape shape factor is aaesfunction function of the the perimeter of la the Como seindicated indica en la (13.26), factorfactor de forma una función delperimeter perímetro de As by Eq. the is of of the extruded cross section divided by the perimeter of a circular cross section of equal area. A sección transversal del material extruido, entre perímetro de section una sección circular deA extruded cross section divided by thedividida perimeter of aelcircular cross of equal area. ¼ 1.0. Hollow, thin-walled sections circular shape is the simplest shape, with a value of K áreacircular igual. Una forma circular es la formawith másasimple, de Kx =thin-walled 1.0. Las secciones ¼ valor 1.0. Hollow, sections shape is the simplest shape, value ofcon Kxxun have higher shape factors and are more difficult to extrude. The increase in pressure pressure is not not huecas de superficies delgadas tienen factores de forma más altos y difíciles de extruir. El aumenhave higher shape factors and are more difficult to extrude. The increase in is included in our previous pressure equations, Eqs. (13.23a, b), which apply only to round to de la presión no seprevious incluye en las ecuaciones previas la presión [ecuaciones (13.23a, b)], included in our pressure equations, Eqs.para (13.23a, b), which apply only to round cross sections. For shapes other than round, the corresponding expression for indirect las cross cualessections. se aplicanFor solamente para secciones transversales redondas. Para formas distintas a la shapes other than round, the corresponding expression for indirect extrusion is redonda, la expresión correspondiente para una extrusión indirecta es extrusion is

p¼ ¼K K xY Y f ex p x f ex



(13.27a) (13.27a) (13.27a)

andextrusión for direct direct extrusion, y para directa, and for extrusion,

   2L 2L (13.27b) Y f ex þ p¼ ¼K K xY (13.27b) p (13.27b) x f ex þ Do Do 2 donde p= 2 presión de extrusión, MPa (lb/pulg ); Kx = fachave where p ¼ extrusion pressure, MPa (lb/in 2 ); Kx ¼ shape factor; and the other terms ); Klos shape factor;tienen and the other terms have where p ¼ extrusion pressure, MPa (lb/in x ¼otros tor Values de forma; términos el equations mismo significathe same interpretation as before. of pressure given by these can be the same interpretation as before. pressure by these equations do Values de antes.ofLos valoresgiven de la presión obtenidos por can estasbe used in in Eq. Eq. (13.24) (13.24) to to determine determine ram ram force. force. used ecuaciones pueden usarse en la ecuación (13.24) para deDie materials used for hot extrusion include tool tool and alloy steels. Important Die materials used for hot extrusion include terminar la fuerza del ariete. and alloy steels. Important properties of these die materials include high wear resistance, high hot hot hardness, hardness, and and properties of these die materials include high wear resistance, high Los materiales para dados de extrusión en caliente inhigh thermal conductivity to remove heat from the process. Die materials for cold high thermal conductivity to remove heat from the process. Die materials forprocold cluyen aceros para herramienta y aceros aleados. Las extrusion include include tool tool steels steels and and cemented cemented carbides. carbides. Wear Wear resistance resistance and and ability ability to to retain retain extrusion piedades más importantes de estos materiales para dados shape under high stress are are desirable properties. Carbides are used when when high production production FIGURE 13.30 A under complex extruded cross section forresistencia a heat sink. courtesy of Aluminum shape high stress desirable Carbides are used high son properties. alta alPhoto desgaste, alta dureza en caliente y th rates, long die life, and good dimensional control are required. Edition by Mikell Groover, Company of rates, America. (Credit: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4 long die life, and good dimensional control térmica are required. alta conductividad para remover el calorP.del proExtrusion presses are either horizontal or vertical, depending on orientation of the the 2010. Reprinted with permission of John Wiley & Sons, Inc.) Extrusion presses are eitherceso. horizontal or vertical, on orientation of Los materiales para depending dados de extrusión en frío incluwork axis. Horizontal types are more common. Extrusion presses are usually hydrauliwork axis. Horizontal types are more common. Extrusion presses are cementados. usually hydrauliyen aceros para herramienta y carburos Sus cally driven. driven. This This drive drive is is especially especially suited suited to to semicontinuous semicontinuous production production of of long long sections, sections, cally propiedades deseables son resistencia al desgaste y buena as in in direct direct extrusion. extrusion. Mechanical Mechanical drives drives are are often often used used for for cold cold extrusion extrusion of of individual individual as disposición para retener su forma bajo altos esfuerzos. Los parts, such as in impact extrusion. parts, such as in impact extrusion. carburos se usan cuando se requieren altas velocidades de producción, larga vida en los dados y buen control dimenFIGURA 13.30  Una parte extruida de sección transversal compleja sional. para un disipador de calor. Foto cortesía de Aluminum Company of Las prensas de extrusión pueden ser horizontales o 13.3.4(Crédito: OTHER EXTRUSION PROCESSES America. Fundamentals of Modern PROCESSES Manufacturing, 4a. ed., 13.3.4 OTHER EXTRUSION verticales, dependiendo de la orientación de los ejes de de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John WiDirect and and indirect indirect extrusion extrusion are are the the principal methods methods of of extrusion. extrusion. Other Other extrusion extrusion Direct trabajo.principal Los tipos horizontales son los más comunes. Las ley & Sons, Inc.) operations are unique. We examine two of them in this section. operations are unique. We examine two of them in this section.

Impact Extrusion Extrusion Impact Impact extrusion extrusion is is performed performed at at higher higher speeds speeds and and shorter shorter strokes strokes Impact than conventional extrusion. It is used to make individual components. As the name than conventional extrusion. It is used to make individual components. As the name suggests, the punch impacts the workpart rather than simply applying pressure to it. it. suggests, the punch impacts the workpart rather than simply applying pressure to Impacting can be carried out as forward extrusion, backward extrusion, or combinations Impacting can be carried out as forward extrusion, backward extrusion, or combinations

284  CAPÍTULO 13  Procesos de deformación volumétrica en el trabajo de metales

prensas de extrusión son accionadas normalmente por fuerza hidráulica, la cual es especialmente apropiada para producción semicontinua de secciones largas, como en la extrusión directa. Frecuentemente se usa la transmisión mecánica para extrusión en frío de piezas individuales, como la extrusión por impacto.

13.3.4  Otros procesos de extrusión Los métodos principales de extrusión son la extrusión directa e indirecta. Otras operaciones de extrusión son únicas. En esta sección se examinan dos de ellas. Extrusión por impacto  La extrusión por impacto se realiza a altas velocidades y carreras más

cortas que la extrusión convencional. Se usa para hacer componentes individuales. Como su nombre lo indica, el punzón golpea a la pieza de trabajo más que aplicar presión. La extrusión por impacto se puede llevar a cabo como extrusión hacia delante, extrusión hacia atrás o una combinación de ambas. Algunos ejemplos representativos se muestran en la figura 13.31. La extrusión por impacto se hace usualmente en frío con varios metales; la extrusión por impacto hacia atrás es la más común. Los productos hechos con este proceso incluyen tubos para dentífrico y contenedores de baterías. Estos ejemplos muestran que se pueden hacer paredes muy delgadas en las piezas extruidas por impacto. Las características de alta velocidad del proceso por impacto permiten grandes reducciones y altas velocidades de producción, de ahí su alta importancia comercial. Extrusión hidrostática  Un problema de la extrusión directa es la fricción a lo largo de la interfaz tocho-contenedor. Este problema se puede solucionar al poner en contacto el tocho en el v

v. F

v

v. F Punzón

Forma inicial

Punzón

Pieza extruida

Troquel Forma inicial 1)

Pieza extruida a)

Troquel

2)

1)

b)

2)

v v. F Punzón Pieza extruida Forma inicial

Troquel

1)

c)

2)

FIGURA 13.31  Varios ejemplos de extrusión por impacto: a) hacia delante, b) hacia atrás y c) combinación de las dos. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

13.3 Extrusión  285

Contenedor

Ariete FIGURA 13.32  Extrusión hidrostática. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

F, v

Forma extruida Dado Fluido

Tocho

fluido en el interior del recipiente y presionando el fluido por el movimiento hacia delante del ariete, como se muestra en la figura 13.32. De esta manera se busca que no exista fricción dentro del recipiente y se reduzca también la fricción en la abertura del dado. La fuerza del ariete es entonces bastante menor que en la extrusión directa. La presión del fluido que actúa sobre todas las superficies del tocho da su nombre al proceso. Se puede llevar a cabo a temperatura ambiente o a temperaturas elevadas. Para temperaturas elevadas se necesitan fluidos y procedimientos especiales. La extrusión hidrostática es una adaptación de la extrusión directa. La presión hidrostática sobre el material de trabajo incrementa la ductilidad del material. Por consiguiente, este proceso se puede usar con metales que son demasiado frágiles para operaciones de extrusión convencional. Los metales dúctiles también pueden extruirse hidrostáticamente, y es posible una alta relación de reducción en esos materiales. Una desventaja del proceso es que se requiere preparar los tochos iniciales de trabajo. El tocho debe formarse con un huso en uno de sus extremos para ajustarlo al ángulo de entrada del dado. Éste actúa como un sello que previene fugas del fluido a través de la abertura del troquel, al iniciar la presurización del recipiente.

13.3.5  Defectos en productos extruidos Debido a la considerable deformación asociada a las operaciones de extrusión, pueden ocurrir numerosos defectos en los productos extruidos. Los defectos se pueden clasificar en las siguientes categorías, que se ilustran en la figura 13.33: a) Reventado central. Este defecto es una grieta interna que se genera como resultado de los esfuerzos de tensión a lo largo de la línea central de la pieza de trabajo durante la extrusión. Aunque los esfuerzos de tensión pueden parecer improbables en un proceso de compresión como la extrusión, tienden a ocurrir bajo condiciones que ocasionan gran deformación en regiones de trabajo apartadas del eje central. El movimiento de material más grande en las regiones exteriores estira el material a lo largo del centro de la pieza de trabajo. Si los esfuerzos son lo suficientemente grandes, ocurre el reventado central. Las condiciones que promueven estas fallas son los ángulos altos del troquel, las bajas relaciones de extrusión y las impurezas del metal de trabajo que sirven como puntos de inicio para las grietas. Lo difícil

FIGURA 13.33  Algunos defectos comunes en extrusión: a) reventado central, b) entubamiento (bolsa de contracción) y c) agrietado superficial. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

a)

b)

c)

286  CAPÍTULO 13  Procesos de deformación volumétrica en el trabajo de metales

del reventado central es su detección. Es un defecto interno que no se observa generalmente por inspección visual. Otros nombres que se usan para este defecto son fractura de punta de flecha, agrietado central y agrietado tipo chevron. b) Entubamiento (bolsa de contracción). El entubamiento es un defecto asociado con la extrusión directa. Como se puede apreciar en la figura 13.33b), es un hundimiento en el extremo del tocho. El uso de un bloque simulado, cuyo diámetro sea ligeramente menor que el del tocho, ayuda a evitar el entubamiento. Otros nombres que se dan a este defecto son cola de tubo y cola de pescado. c) Agrietado superficial. Este defecto es resultado de las altas temperaturas de la pieza de trabajo que causan el desarrollo de grietas en la superficie; ocurre frecuentemente cuando la velocidad de extrusión es demasiado alta y conduce a altas velocidades de deformación asociadas con generación de calor. Otros factores que contribuyen al agrietamiento superficial son la alta fricción y el enfriamiento rápido de la superficie de los tochos a altas temperaturas en la extrusión en caliente.

13.4  Trefilado de alambres y barras En el contexto de los procesos de deformación volumétrica, el trefilado, también llamado estirado, es una operación donde la sección transversal de una barra, varilla o alambre se reduce al tirar del material a través de la abertura de un dado, como se muestra en la figura 13.34. Las características generales del proceso son similares a las de la extrusión; la diferencia es que en el trefilado el material de trabajo se jala a través del dado, mientras que en la extrusión se empuja a través de él. Aunque la presencia de esfuerzos de tensión es obvia en el trefilado, la compresión también desempeña un papel importante ya que el metal se comprime al pasar a través de la abertura del dado. Por esta razón, la deformación que ocurre en trefilado se llama algunas veces compresión indirecta. El estirado es un término que se usa también en el trabajo de láminas metálicas (sección 14.3). El término trefilado de alambre y barras se usa para distinguir los procesos de estirado de los procesos de trabajo de láminas del mismo nombre. La diferencia básica entre el trefilado de barras y el trefilado de alambre es el tamaño del material que se procesa. El trefilado de barras se refiere al material de barras y varillas de diámetro grande, mientras que el trefilado de alambre se aplica al material de diámetro pequeño. En el proceso de trefilado de alambres, y alambrón, se pueden alcanzar diámetros hasta de 0.03 mm (0.001 pulg). Aunque la mecánica del proceso es la misma para los dos casos, el equipo y la terminología son de alguna manera diferentes. El trefilado de barras se realiza generalmente como una operación de trefilado simple, en la cual el material se jala a través de la abertura del dado. Debido a que el material inicial tiene un diámetro grande, su forma es la de una pieza recta. Esto limita la longitud del trabajo que puede procesarse y es necesaria una operación tipo lote. Por el contrario, el alambre se estira a partir de rollos de alambre que miden varios cientos (o miles) de pies de longitud y pasa a través de una serie de dados de trefilado. El número de dados varía entre cuatro y doce. El término trefilado continuo se usa para describir este tipo de operación debido a las grandes corridas de producción

Dado de trefilado FIGURA 13.34  Trefilado de barras, varillas o alambre. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

Material inicial Df Do

F α

Lc Tamaño final del trabajo

C13C13 08/16/2011 295295 08/16/2011 16:49:38 16:49:38 Page Page C13 08/16/2011 08/16/2011 16:49:38 Page Page 295 295 C13 16:49:38 C13 08/16/2011 16:49:38 Page 295

possible wire drawing. Although mechanics of the process are the same for the two cases, the in methods, equipment, and the even the terminology are somewhat different. cases, the methods, equipment, and even the terminology are somewhat different. Bar drawing is generally accomplished as a single-draft operation—the stock is Bar drawing is opening. generallyBecause accomplished as a single-draft pulled through one die the beginning stock has aoperation—the large diameter, stock it is inis pulled through one die opening. Because the beginning stock has a large diameter, it is the form of a straight cylindrical piece. This limits the length of the work that can bein the form of a straight cylindrical piece. This limits the length of the work that can drawn, necessitating a batch type operation. By contrast, wire is drawn from coilsbe drawn, necessitating a batch (or type operation. contrast, wire is drawn from coils consisting of several hundred even several By thousand) feet of wire and is passed 13.4  Trefiladofeet de alambres y barras   287 consisting of several hundred (or even several thousand) of wire and is passed through a series of draw dies. The number of dies varies typically between 4 and 12. The through a seriesdrawing of draw dies. The diestype varies typically between and The term continuous is used tonumber describeofthis of operation because4of the12. long term continuous drawing is used to describe this type of operation because of the long production runs thatcon arelosachieved the wire coils, which can bea butt-welded each to que pueden alcanzarse rollos dewith alambre, ya que pueden soldarse tope con el siguiente production runs that are achieved with the wire coils, which can be butt-welded each to the nexthacer to make the operation truly continuous. rollo para la operación verdaderamente continua. the next to make operation, the operation change truly continuous. In aoperación drawing in size work usuallysegiven by the area En una de trefilado,the la modificación en of el the tamaño delistrabajo da generalmente In a drawing operation, the change in size of the work is usually given by the area reduction, defined as definida follows:como sigue: por la reducción del área reduction, defined as follows: Ao � Af (13.28) r ¼ Ao � Af (13.28) (13.28) r ¼ Ao Ao 2 2 area of work, mm mm (in 2);(pulg and 2A),f y¼Afinal where area reduction Ao ¼ donde r =r ¼ reducción del áreainendrawing; el trefilado; Aooriginal = área original del trabajo, = original area of work, mm2 (in2); and Af ¼f final where r¼ 2 area 2 reduction in drawing; Ao ¼ 2 2 (in ). Area reduction is often expressed as a percentage. area, mm área final, mm2 (pulg 2 ). La reducción del área se expresa frecuentemente como un porcentaje. ). Area is often expressed as a percentage. area,Inmm bar (in drawing, rodreduction drawing, drawing large diameter wireoperaciones for upsetting En el trefilado de barras, de varillasand y deinalambre deof diámetro grande para de In bar drawing, rod drawing, and in drawing of large diameter wiredifference for upsetting and heading operations, the term draft is used to denote the before and after recalcado y cabeceado, se usa el término pase de trefilado para denotar la diferencia de tamañosin andofheading operations, the term draft used to denote the before andoriginal after difference in size the processed work. The draft is is simply between and antes y después de procesar el material de trabajo. El the pasedifference es simplemente la diferencia entrefinal los size of the processed work. The draft is simply the difference between original and final stock diameters: diámetros originales y finales del material: stock diameters: (13.29) d ¼ Do � Df (13.29) d ¼ Do � Df (13.29) where d ¼ draft, mm (in); Do ¼ original diameter of work, mm (in); and Df ¼ final work ¼ original diameter of work, (in); and Df ¼ final work where ¼ draft, mm (in); Dodiámetro diameter, mm (in). donde d=d pase, mm (pulg); Do = original del trabajo, mmmm (pulg), yD f = diámetro final diameter, mm (in). del trabajo, mm (pulg).

13.4.1 ANALYSIS OF DRAWING 13.4.1 ANALYSIS OF DRAWING 13.4.1  Análisis del In trefilado this section, we consider the mechanics of wire and bar drawing. How are stresses and

In thiscomputed section, we the mechanics of wire how and bar drawing. Howisare stressesinand forces in consider the process? We also consider large a reduction possible a Section 13.4/Wire and Drawing 295295 Section 13.4/Wire and Bar Drawing En esta sección se revisará la mecánica del trefilado de alambre ylarge barras, yBar elBar cálculo depossible esfuerzos Section 13.4/Wire and Drawing 295 forces computed in the process? We also consider how a reduction is in a Section 13.4/Wire and Bar Drawing 295 drawing operation. 13.4/Wire and Bar Drawing en las 295 y fuerzas en operation. el proceso. Se considerará también laSection posibilidad de grandes reducciones drawing Mechanics oftrefilado. Drawing If no friction or or redundant work occurred in in drawing, true operaciones de Mechanics of Drawing If no friction redundant work occurred drawing, true Mechanics of of Drawing Drawing If If no no friction friction or or redundant redundant work work occurred occurred in in drawing, drawing, true true Mechanics strain could beof determined asIfas follows: strain could be determined follows: Mechanics Drawing no friction or redundant work en occurred in drawing, true strain could be determined as follows: Mecánica del trefilado  Si no ocurre fricción o trabajo redundante el trefilado, la deformastrain could be determined as follows: strain could be determined as follows: ción real puede determinarse como sigue: AoA 1 1 A¼oo ln e ¼e ln (13.30) ¼ ln lnA ¼ 1ln ln� 1r1 (13.30) o ¼ e ¼ (13.30) A f Afo¼ ln 1 � 1 r e ¼ ln (13.30) Af ¼ ln11 � � rr (13.30) (13.30) e ¼ lnA Af f 1�r and Af A are thethe original andand final cross-sectional areas of the work, as previously where AoA and are original final cross-sectional areas of the the work, as previously previously where o and f are A theoriginal original and final final cross-sectional areas of work, as where A o and f are A the original and cross-sectional areas of the work, as previously where A donde A y A son las áreas y final de la sección transversal del material de trabajo, como o f defined; and r ¼ drawing reduction as given by Eq. (13.28). The stress that results from o f defined; and r ¼ drawing reduction as given by Eq. (13.28). The stress that results from and A are the original and final cross-sectional areas of the work, as previously where A o defined; and r¼ ¼ fdrawing drawing reduction asdel given by Eq. Eq. (13.28). The stress(13.28). that results results from se defined; definieron previamente, y r = reducción trefilado, definida en la ecuación El esfuerand r reduction as given by (13.28). The stress that from this ideal deformation is given by this ideal deformation is given by defined; and r ¼ drawing reduction as given by Eq. (13.28). The stress that results from this ideal deformation is given givenideal by está dado por zothis que ideal resultadeformation de esta deformación is by this ideal deformation is given by AoAo Ao s ¼s Y e¼ Y lnf ln A (13.31) ¼fY Y ¼fY Y (13.31) fee ¼ (13.31) ln (13.31) s ¼ Af Aofo f f s ¼ Y f e ¼ Y f ln (13.31) Af s ¼ Y f e ¼ Y f ln A (13.31) Af f n n e = e esfuerzo flow deflow fluencia promedio, basado enofelof valor de la deformación de la donde Y f Y¼f K ¼ stress based on on the value strain given by by Eq.Eq. (13.30). where ¼KKK ¼ average stress based the value strain given (13.30). where en average 1þn 1þn ¼ where Yf ¼ en n ¼ average flow stress based on the value of strain given by Eq. (13.30). 1þn ¼ average flow stress based on the value of strain given by Eq. (13.30). where Y f K e Because friction is present in drawing and the work metal experiences Because friction is flow present inbased drawing and the work given metalbyexperiences experiences ecuación (13.30). ¼ average stressin on theand valuethe of strain Eq. (13.30). whereBecause Y f ¼1þn friction is present drawing work metal 1þnfriction Because is present inel drawing and the work metal experiences inhomogeneous deformation, the actual stress is larger than provided by by Eq. (13.31). inhomogeneous deformation, the actual stress is larger than provided Eq. (13.31). Debido a que la fricción está presente en trefilado, y aunque el metal de trabajo experimenBecause friction is present in drawing and the work metal experiences inhomogeneous deformation, deformation, the the actual actual stress stress is is larger larger than than provided provided by by Eq. Eq. (13.31). (13.31). inhomogeneous /Aof/A ,elother variables that influence draw stress areare die angle andand In addition to the ratio AoA , other variables that influence draw stress die angle In addition to the ratio ta In deformación no homogénea, verdadero esfuerzo es más grande que el proporcionado por la inhomogeneous deformation, the actual stress is larger than provided by Eq. (13.31). f /Af,, other other variables variables that that influence influence draw draw stress stress are are die die angle angle and addition to to the the ratio ratio A Ao/A and In addition o fwork–die coefficient of of friction atdeA the interface. A number of methods have been coefficient friction at the work–die interface. A number of methods have been ecuación (13.31). Además la relación A /A , otras variables que tienen influencia en el esfuerzo /A , other variables that influence draw stress are die angle and In addition to the ratio o f interface. A number of methods have been coefficient of of friction friction at at othe thef work–die work–die interface. A number of methods have been proposed predicting draw stress based on values of these parameters [1],[1], [3],[3], proposed for predicting draw stress based on values of these parameters and delcoefficient trefiladofor son ángulo dado ystress el coeficiente de fricción en la interfaz trabajo-dado. Seand han coefficient ofelpredicting frictiondel atdraw the work–die interface. A of number of methods have been proposed for based on values these parameters [1], [3], and proposed for predicting draw stress based on values of these parameters [1], [3], and [19]. WeWe present thethe equation suggested by Schey [19]: [19]. present equation suggested by Schey [19]: propuesto numerosos métodos para predecir el esfuerzo de trefilado con base en los valores de proposed for predicting draw stress based on values of these parameters [1], [3], and [19]. We We present present the the equation equation suggested suggested by by Schey Schey [19]: [19]: [19]. estos parámetros [1], [3] [19]. A continuación se presenta la ecuación sugerida por Schey [19]: [19]. We present they equation suggested by Schey [19]:   m   A m fln oA Ao þ m s d s¼d Y (13.32) f Y1f ¼ 1 tan þ a f ln lnAoo (13.32) m μ  s ¼ Y 1 þ f (13.32) A m a f ln fA Afo (13.32) tan (13.32) s dd ¼ Y ff 1 þ tan f s d ¼ Y f 1 þtan aa f lnA (13.32) Af f tan a 2 2 stress, MPa (lb/in );2m);¼ coefficient of friction; a ¼a die angle where s s¼d draw ¼ draw draw stress, MPa (lb/in m die–work ¼2 die–work die–work coefficient of friction; friction; ¼ die die angle where donde σddss= de trefilado, MPa (lb/pulg μ = coeficiente de fricción dado-trabajo; α = 2 ); m ¼ ); ¼ stress, MPa (lb/in coefficient of ¼ angle where d esfuerzo draw stress, MPa (lb/in );and mand ¼f die–work coefficient of friction; aa ¼ die angle where 2 d¼ (half-angle) as defined in Figure 13.34; is a factor that accounts for inhomogeneous (half-angle) as defined in Figure 13.34; f is a factor that accounts for inhomogeneous ¼ draw stress, MPa (lb/in ); m ¼ die–work coefficient of friction; a ¼ die angle where s d ángulo del dado (medio ángulo) como se define en la figura 13.34, y ϕ es un factor que se usa (half-angle) as defined in Figure 13.34; and f is a factor that accounts for inhomogeneous (half-angle) aswhich defined Figure 13.34; and ffor is for aafactor that accounts for inhomogeneous deformation, which is determined as follows round cross section: deformation, is in determined as follows a round round cross section: (half-angle) in Figure 13.34; and f isfor a factor that accounts for inhomogeneous para deformaciónas nodefined homogénea, el cual se determina para una sección transversal redonda como: deformation, which is determined as follows cross section: deformation, which is determined as follows for aa round cross section: deformation, which is determined as follows for a round cross section: DD D f ¼f 0:88 � 0:12 (13.33) (13.33) (13.33) ¼ 0:88 0:88 � 0:12 0:12 D f ¼ � (13.33) L D L f ¼ 0:88 � 0:12cL (13.33) f ¼ 0:88 � 0:12Lccc (13.33) Lc (in); and L ¼ contact length of where D ¼ average diameter of work during drawing, mm ¼contact contactlength lengthof of whereD D¼ ¼average averagediameter diameterof ofwork workduring duringdrawing, drawing,mm mm(in); (in);and andcL Lc ¼ where c contact length of Dwith ¼ with average diameter of in work during drawing, mm (in); and c ¼D can be thewhere work thethe draw diedie in Figure 13.34, mmmm (in). Values ofLL D and L c can be the work draw Figure 13.34, (in). Values of and L ¼ contact length of where D ¼ average diameter of work during drawing, mm (in); and c can be be the work work with with the the draw draw die die in in Figure Figure 13.34, 13.34, mm mm (in). (in). Values Values of ofc D D and and L Lc can the c determined from the following: determined from the following: can be the work with the draw die in Figure 13.34, mm (in). Values of D and L c determined from from the the following: following: determined determined from the following: DoD þD þfD Df Dooþ þ D¼ (13.34a) D¼ ¼D (13.34a) Df D (13.34a) D2o þ Df

s d ¼ Y f 1 þ tan a f ln A (13.32) Af f tan a where s d ¼ draw stress, MPa (lb/in2); 2 m ¼ die–work coefficient of friction; a ¼ die angle drawstress, stress,MPa MPa(lb/in (lb/in2); ); m¼¼die–work die–workcoefficient coefficientofoffriction; friction;aa¼¼die dieangle angle wheressdd¼¼draw where (half-angle) as defined in Figure 13.34;mand f is a factor that accounts for inhomogeneous (half-angle) as defined in Figure 13.34; and f is a factor that accounts for inhomogeneous (half-angle) defined Figure 13.34; and f isfor a factor thatcross accounts for inhomogeneous deformation,aswhich is in determined as follows a round section: deformation,which whichisisdetermined determinedasasfollows followsfor foraaround roundcross crosssection: section: deformation, D 288  CAPÍTULO 13  Procesos de deformación volumétrica en el trabajo de f metales ¼ 0:88 � 0:12 DD (13.33) 0:88��0:12 0:12Lc (13.33) ff¼¼0:88 (13.33) LLc c lengthdeof where D¼ averagepromedio diameterdel of work during drawing, mm (in); and Lc y¼Lcontact donde D= diámetro durante el trefilado, mm = longitud ccontact lengthofof where averagediameter diameterofoftrabajo workduring during drawing, mm(in); (in);(pulg), andLLc c¼¼contact length where DD¼¼ average work drawing, mm and can the work with the draw die in Figure 13.34, mm (in). Values of D and L c contacto del trabajo con eldraw dado die de trefilado en la13.34, figuramm 13.34, mmValues (pulg). Los valores y Lbe cbe can the work work with the the draw in Figure Figure (in). of DD andLde Lc cD can be the with die in 13.34, mm (in). Values of and determined from the following: se pueden determinar de las siguientes ecuaciones: determinedfrom fromthe thefollowing: following: determined Do þ Df (13.34a) D ¼ DDo oþþDDf f (13.34a) (13.34a) DD¼¼ 22 (13.34a) Do 2� Df Lc ¼ DDo o��DDf f (13.34b) a (13.34b) LLc c¼¼ 22sin (13.34b) (13.34b) sin a sen aα 2 sin The corresponding draw force is then the area of the drawn cross section multiplied by Thecorresponding corresponding draw forceisisthen then thearea area ofthe the drawn cross sectionmultiplied multiplied by LaThe fuerza correspondiente de force trefilado es entonces el of área dedrawn la sección transversal del material draw the cross section by the draw stress: the draw stress: trefilado multiplicada por el esfuerzo de trefilado: the draw stress:  m  Ao (13.35) F ¼ Af s d ¼ Af Y f 1 þ mμ m  f ln AAo o (13.35) 1 þtan a f lnAf (13.35) fY (13.35) FF¼¼AAf sf sd d¼¼AAf Y f f 1 þ tan a f ln A Af f tan a where F ¼ draw force, N (lb); and the other terms are defined above. The power required donde F= fuerza deforce, trefilado, N (lb); términos se defined definieron previamente. La potencia where ¼draw draw force, (lb); andlos theotros other termsare are definedabove. above. Thepower power required C13 16:49:38 C13 08/16/2011 08/16/2011 16:49:38 Page Page 296 296where FF¼ NN the other terms The required in a drawing operation is(lb); theand draw force multiplied by exit velocity of the work. C13 08/16/2011 16:49:38 Page 296 requerida en una operación de trefilado es la fuerza multiplicada por la velocidad de salida del C13 08/16/2011 16:49:38 Page 296 drawingoperation operationisisthe thedraw drawforce forcemultiplied multipliedby byexit exitvelocity velocityofofthe thework. work. ininaadrawing trabajo. �

is drawn through draw with entrance angle ¼ 15 �.de Starting 2.5 mm Example13.4 13.4 UnWire alambre se estira a travésaade un die dado de trefilado con un ángulo entradadiameter de 15°. ElisdiámeEjemplo Wire isdrawn drawn through draw diewith with entrance angle ¼15 15� . .Starting Starting diameter is2.5 2.5mm mm Example 13.4 Wire is through a draw die entrance angle ¼ diameter is Example 13.4 and final diameter ¼ 2.0 mm. The coefficient of friction at the work–die interface ¼ 0.07. Stress and Force tro inicial es de 2.5 mm¼ y el diámetro final es de 2.0of mm. El coeficiente de fricción en la interEsfuerzo y fuerzas and final diameter 2.0 mm. The coefficient friction at the work–die interface ¼ 0.07. Stress and Force and final diameter ¼ 2.0 mm. The coefficient friction the work–die interface ¼ 0.07. Stress and Force metal a strength K ¼tiene 205of MPa and aatstrain-hardening in el Wire Drawing fazThe material dehas trabajo-dado =coefficient 0.07. El metal un coeficiente de resistencia K exponent =exponent 205 MPann¼¼ en trefilado del The metal has strength coefficient 205MPa MPa andaastrain-hardening strain-hardening inWire Wire Drawing 296 Chapter 13/Bulk Deformation Processes in Metalworking The metal has aastrength coefficient KK ¼¼205 and exponent n¼ 296 Chapter 13/Bulk Deformation Processes in Metalworking in Drawing 0.20. Determine the draw stress and draw force in this operation. 296 Chapter13/Bulk 13/BulkDeformation Processes Metalworking yDeformation un0.20. exponente de endurecimiento por deformación n = in 0.20. el esfuerzo de trefilaalambre 296 Chapter Processes ininMetalworking Determine the drawstress stress anddraw drawforce force thisDetermine operation. 0.20. Determine the draw and in this operation.

do y la fuerza de trefilado en esta operación. Solution: Solution: The The values values of of D D and and L Lcc for for Eq. Eq. (13.33) (13.33) can can be be determined determined using using Eqs. Eqs. (13.34a, (13.34a, b). b). Solution: The values of D and L Eq. (13.33) can be determined using Eqs. (13.34a, b). c forEq. Solution: The values of L (13.33) can be determined using Eqs. (13.34a, b). c for Solución:  Los valores de DD yand Lc mm. para la ecuación (13.33) se pueden determinar usando las 0.966 Thus, D ¼ 2.25 mm and L cc ¼ ¼ 0.966 mm. Thus, D ¼ 2.25 mm and L 0.966mm. mm.Thus, Thus, 2.25mm mmand andLLc¼¼0.966 DD¼¼2.25 ecuaciones (13.34a, b). D y Lc = 0.966 mm. Por tanto, c = 2.25 mm 2:25 2:25 ¼ 1:16 2:25 f f¼ ¼ 0:88 0:88 þ þ 0:12 0:122:25 ¼ 1:16 1:16 f ¼ 0:88 þ 0:12  0:966 f ¼ 0:88 þ 0:12 0:966 ¼¼1:16 0:966 0:966 2 2 The ¼ 4.91 4.91 mm mm2 22 and and A Aff ¼ ¼ 3.14 3.14 mm mm2 22... The areas areas before before and and after after drawing drawing are are computed computed as as A Aoo ¼ ¼ 4.91 mm and A ¼ 3.14 mm The areas before and after drawing are computed as A o f SeThe calculan lasbefore áreas respectivas antes y después del¼ yo ¼ se 4.91 obtienen valores A3.14 4.91 mm los and Af ¼stress . areas andstrain after eedrawing are computed as Aand o = mm The resulting true ¼ 0.446, the flow in The resulting true strain ¼ ln(4.91/3.14) ln(4.91/3.14) ¼trefilado 0.446, and the average average flow stress in the the The true strain e¼¼ ln(4.91/3.14) ¼ 0.446, and the average flow stress in the 2 y Aresulting 2. La mm = 3.14 mm deformación real resultante ϵ = ln(4.91/3.14) = 0.446, y el esfuerzo The resulting true strain e ln(4.91/3.14) ¼ 0.446, and the average flow stress in the f operation is computed: operation is is computed: computed: operation deoperation fluencia promedio en la operación se calcula como is computed: 0:20 0:20 205ð0:446Þ 0:20 205ð0:446Þ0:20 205ð0:446Þ ¼ ¼ Y ff ¼205ð0:446Þ ¼ 145:4 145:4 MPa MPa  Y ¼ 145:4 MPa 1:20 1:20 ¼ 145:4 MPa YYf f¼¼ 1:20 1:20 Draw is by Eq. (13.32): Draw stress stress is given given bydado Eq. por (13.32): El Draw esfuerzo de trefilado está la ecuación (13.32): Draw stress is given by Eq. (13.32): stress is given by Eq. (13.32):     0:07ð1:16Þð0:446Þ ¼ 94:1 MPa 1 þ 0:07 0:07 ð145:4Þ ssdd ¼  ð1:16Þð0:446Þ ¼ ¼ 94:1 94:1 MPa MPa ¼ ð145:4Þ 1 þ 0:07 ð145:4Þ 11þþ tan ð1:16Þð0:446Þ tan 15 15 ð1:16Þð0:446Þ ¼ 94:1 MPa ssd d¼¼ð145:4Þ tan 15 tan 15 the draw force is this stress by cross-sectional area the PorFinally, último, la fuerza de trefilado es el esfuerzo multiplicado el área de la sección Finally, the the draw draw force force is is this this stress stress multiplied multiplied by the thepor cross-sectional area of oftransversal the exiting exiting Finally, multiplied by the cross-sectional area of the exiting the draw force is this stress multiplied by the cross-sectional area of the exiting wire: delFinally, alambre de salida: wire: wire: wire:  ■& F & F¼ ¼ 94:1ð3:14Þ 94:1ð3:14Þ ¼ ¼ 295:5 295:5 N N 94:1ð3:14Þ 295:5 && FF¼¼94:1ð3:14Þ ¼¼295:5 NN Reducción máxima por pase de trefilado  Una pregunta que se le puede ocurrir al lector es: ¿por per Pass A that may the is: quéMaximum se necesita Reduction más de un paso la reducción en elto del alambre?, Maximum Reduction per para Passalcanzar A question question that deseada may occur occur totrefilado the reader reader is: Why Why is is Maximum Reduction per Pass question that may occur the reader is: Why Maximum Reduction per Pass AA question that may occur toto the reader is: Why isis more than one step required to achieve the desired reduction in wire drawing? Why not ¿por qué no se hace la reducción entera en un solo paso a través de un solo dado como se hace en la more than one step required to achieve the desired reduction in wire drawing? Why not morethan thanone onestep steprequired requiredtotoachieve achievethe thedesired desiredreduction reductionininwire wiredrawing? drawing?Why Why not more take reduction aa single pass one as The answer can extrusión? Laentire respuesta es que in resulta claro, dethrough las ecuaciones precedentes, que si la reducción se take the the entire reduction in single pass through one die, die, as in in extrusion? extrusion? The answernot can take the entire reduction in a single pass through one die, as in extrusion? The answer can take the entire reduction inFrom a single pass through one Si die, inis extrusion? answer can be explained as follows. preceding equations, it clear that as the reduction incrementa, también los esfuerzos dethe trefilado aumentan. laas reducción es lo The suficientemente be explained as follows. From the preceding equations, it is clear that as the reduction beexplained explainedasasfollows. follows.From Fromthe thepreceding precedingequations, equations,ititisisclear clearthat thatasasthe thereduction reduction be increases, draw stress increases. If the enough, draw stress will exceed grande, los esfuerzos de trefilado excederían lareduction resistenciais a large la fluencia del material que sale. Cuanincreases, draw stress increases. If the reduction is large enough, draw stress will exceed increases,draw drawstress stressincreases. increases.IfIfthe thereduction reductionisislarge largeenough, enough,draw drawstress stresswill willexceed exceed the yield strength of the exiting metal. When that happens, the drawn wire will simply doincreases, esto pasa, el alambre trefilado simplemente se alarga, en lugar de que el nuevo material se comthe yield strength of the exiting metal. When that happens, the drawn wire will simply theyield yieldstrength strengthofofthe theexiting exitingmetal. metal.When Whenthat thathappens, happens,the thedrawn drawnwire wirewill willsimply simply the elongate instead new material being squeezed through the die opening. For wire prima a través de la abertura del dado. Para que el trefilado del alambre sea exitoso, el esfuerzo elongate instead of new material being squeezed through the die opening. For wire elongateinstead insteadofofnew newmaterial materialbeing beingsqueezed squeezedthrough throughthe thedie dieopening. opening.For Forwire wire elongate drawing to be successful, maximum draw stress must be less than the yield strength of the máximo de trefilado debe ser menor que la resistencia a la cedencia del material que sale. drawing to be successful, maximum draw stress must be less than the yield strength of the drawingtotobe besuccessful, successful,maximum maximumdraw drawstress stressmust mustbe beless lessthan thanthe theyield yieldstrength strengthofofthe the drawing exiting metal. exiting metal. exitingmetal. metal. exiting It It is is aaa straightforward straightforward matter matter to to determine determine this this maximum maximum draw draw stress stress and and the the It is straightforward matter to determine this maximum draw stress and the It is a straightforward matter to determine this maximum draw stress and the resulting maximum possible reduction that can be made in one pass, under certain resulting maximum possible reduction that can be made in one pass, under certain resultingmaximum maximumpossible possiblereduction reductionthat thatcan can bemade madeininone onepass, pass,under under certain resulting assumptions. metal and assumptions. Let Let us us assume assume aaa perfectly perfectly plastic plasticbe metal (n (n ¼ ¼ 0), 0), no no friction, friction, certain and no no assumptions. Let us assume perfectly plastic metal (n ¼ 0), no friction, and no assumptions. Let us assume a perfectly plastic metal (n ¼ 0), no friction, and no redundant work. In this ideal case, the maximum possible draw stress is equal to the redundant work. In this ideal case, the maximum possible draw stress is equal to the redundantwork. work.In In thisideal idealcase, case,the themaximum maximumpossible possibledraw drawstress stressisisequal equal tothe the redundant yield strength of thethis work material. Expressing this using the equation for drawtostress

more than step required tothe achieve the desired reduction in wire Whycan not s entire ¼ one (13.5) take the in a single pass through one die, as in clear extrusion? be explained as follows. From preceding equations, it is thatdrawing? asThe theanswer reduction vrreduction take the entire reduction in a single pass through one die, as in extrusion? The answer can be explained as stress follows. From the preceding equations, it is cleardraw thatstress as thewill reduction increases, draw increases. If the reduction is large enough, exceed be explained follows. From the preceding equations, it isthe clear that as the (exiting) workasstress velocity, m/s (ft/sec); and vr ¼ roll where s ¼ forward slip; vf ¼ finalthe increases, draw increases. If the reduction is speed, large enough, draw stress willreduction exceed yield strength of the exiting metal. When that happens, drawn wire simply increases, draw stress increases. If being the reduction large enough, draw stress will exceed m/s (ft/sec). the yield strength of new the exiting metal. When thatis happens, the drawn wire will simply elongate instead of material squeezed through die opening. For wire the yield strength of the exiting metal. When that happens, the drawn wire will simply The true strain experienced by the to work in rolling based on before and after elongate instead of newismaximum material being squeezed through the the dieyield opening. Forof wire drawing be successful, draw stress muststock be less than strength the elongate of newmaximum material draw beingstress squeezed through thethe die opening. For thicknesses. In equation form, exiting drawing toinstead be successful, must be less than yield strength of wire the metal. 13.4 beTrefilado de the alambres ystrength barras   of 289 drawing successful, maximum stress must than yieldstress the exiting It metal. istoabe straightforward matter draw to determine this less maximum draw and the t exiting metal. o It is straightforward to determine this maximum the resulting possible matter reduction that can be made in one draw pass, stress under and certain (13.6) e maximum ¼a ln It is a Let straightforward to that determine this maximum draw stress and and no the tf useste resulting possible reduction can be in pass, under certain assumptions. assume amatter perfectly plastic metal ¼ one 0),reducción no friction, Es fácil maximum determinar esfuerzo de trefilado máximo ymade la (n posible máxima que resulting maximum possible reduction that can be made in one pass, under certain assumptions. usthis assume acase, perfectly plastic metal (n metal ¼ 0),perfectamente no friction, and no redundant ideal the maximum possible draw stress is equalplástico to the puede hacersework. enLet un In paso bajo ciertas suposiciones. Suponga un assumptions. Letthe uswork assume aY perfectly plastic metal ¼equation 0),stress no friction, and no applied to caso the The true strain can be used to(ndetermine the average flow stress f the redundant work. ideal case, maximum possible draw is equal to the yield of material. Expressing thiswork usingel(n the for draw stress = 0), strength sin fricción yIn sinthis trabajo redundante. En este ideal, esfuerzo de trefilado máximo redundant work. In this ideal case, the maximum possible draw stress is equal to the material in flat rolling. Recallposible from the previous chapter, Eq. 12.2, that yield es strength ofresistencia the workdeformation, Expressing this using the for ¼ Y (because n stress ¼ 0), under conditions of ideal Eq. (13.31), and setting Y igual a la amaterial. la cedencia del material de trabajo. Siequation sef expresa estodraw usando la yield conditions strength ofofthe work material. Expressing this using theYideal, equation for draw stress ¼ Y (because n ¼ 0), under ideal deformation, Eq. (13.31), and setting ecuación para el esfuerzo de trefilado bajo condiciones de deformación ecuación (13.31) y f Ken of ideal deformation, under conditions Eq. A (13.31), and 1setting Y f ¼ Y (because n ¼ 0), Ao o se iguala 0), (13.7) Yf = ¼ Y (porque ns = ¼ Y ln ¼ Y ln ¼Y d ¼ Y f ln 1þn Ao Ao 1r 1� s d ¼ Y f ln Af o¼ Y ln Af o¼ Y ln 1 ¼ Y s ¼ Y lnAf ¼ Y lnAf ¼ Y ln1 � r ¼ Y  The average flow stress is used to compute estimates ofd forcef andApower in rolling. 1 �¼r 1.0. In order for e f That is, emax This means that ln(Ao/Af) ¼ ln(1/(1 –f r)) ¼ 1.A max to be Friction in rolling occurs with a certain coefficient of friction, and the compression /A ) ¼ ln(1/(1 – r)) ¼ 1. That is, e ¼ 1.0. In order for e be This means that ln(A /A ¼ 1/(1 – r) must equal the natural logarithm base e. Accordingly, the zero, then A o f max max to o f significa que ln(A = ln(1/(1 – r)) –= 1.a ¼ Es decir, 1.0. Para In queorder ϵmáx sea eno/Afriction, f) /A máx force of the rolls, multipliedEsto byThis thismeans coefficient of results inr)) friction ln(1/(1 1. Thatϵforce is, e= for cero, emax to be that ln(A o – f)r)¼must max ¼ 1.0. /A ¼ 1/(1 equal the natural logarithm base e. Accordingly, the zero, then A maximum possible area ratio is o f tonces Aothen /Aentrance 1/(1 –¼r)1/(1 debe ser igual point, a los logaritmos naturales basebase e. En concordancia, la f =A between the rolls and the work. On the side of the no-slip friction force is /A – r) must equal the natural logarithm e. Accordingly, the zero, o f maximum possible area ratioesis máxima relación área posible in one direction, and on the other side it ispossible indethe opposite direction. maximum area ratio is Ao However, the two ¼ eso¼that 2:7183 (13.36) forces are not equal. The friction force on the entrance side is greater, the net Aof (13.36) ¼ e ¼ 2:7183 (13.36) A force pulls the work through the rolls. If this were not the case, rolling not be Af o ¼ ewould ¼ 2:7183 (13.36) Ais possible. There is a limit to the and maximum possible possible draft thatreduction can be accomplished in flat f the maximum y laofreducción máxima posible es rolling with a given coefficient definedpossible by: andfriction, the maximum reduction is and the maximum possible reduction ise � 1 2 (13.8) dmax ¼ m R (13.37) rmax máx ¼ e � 1 ¼ 0:632 (13.37) e (13.37) rmax ¼ e � 1¼ 0:632 e radius where dmax ¼ maximum draft, mm (in); m ¼ coefficient of friction; and mm ¼ 0:632 (13.37) rmaxR¼¼ roll e El valor dado para la ecuación (13.37) se usa frecuentemente como la reducción teórica máxi(in). The equation indicates that if friction were zero, draft would be zero, and it would be posible en un solo paso, aun cuando ésta ignora: 1) los efectos de fricción y del trabajo redunimpossible to accomplish thema rolling operation. dante que podrían reducir valor máximo posible, 2) el endurecimiento por deformación, que Coefficient of friction in rolling depends on ellubrication, work material, and podría incrementar la reducción máxima posible debido a que el alambre a la salida podría ser working temperature. In cold rolling, the value is around 0.1; in warm working, a typical más resistente que el metal inicial. En la práctica, las reducciones de trefilado por paso están muy value is around 0.2; and in hot rolling, m is around 0.4 [16]. Hot rolling is often por debajo de los límites teóricos. Los límites superiores en la práctica industrial parecen ser recharacterized by a condition called sticking, in which the hot work surface adheres to ducciones de 0.50 para trefilado simple de barras y 0.30 para trefilado múltiple de alambre. the rolls over the contact arc. This condition often occurs in the rolling of steels and hightemperature alloys. When sticking occurs, the coefficient of friction can be as high as 0.7. The consequence of sticking is that the surface layers of the work are restricted to move at del trefilado the13.4.2  same speedPráctica as the roll speed vr; and below the surface, deformation is more severe to allow passage of the piece through the se roll gap. generalmente como una operación de trabajo en frío. Se usa de manera más El trefilado realiza frecuente para producir secciones redondas, pero también se pueden estirar secciones cuadradas y de otras formas. El trefilado de alambre es un proceso industrial importante que provee productos comerciales como cables y alambres eléctricos; alambre para cercas, ganchos de ropa y carros para supermercados; alambrón para producir clavos, tornillos, remaches, resortes y otros artículos de ferretería. El trefilado de barras se usa para producir barras de metal para maquinado, forjado y para otros procesos. Las ventajas del trefilado en estas aplicaciones incluyen: 1) estrecho control dimensional, 2) buen acabado de la superficie, 3) propiedades mecánicas mejoradas, como resistencia y dureza, 4) adaptabilidad para producción económica en masa o en lotes. Las velocidades de trefilado son tan altas como 50 m/s (10 000 pies/min) para alambre muy fino. En el caso del trefilado de barras se produce material para maquinado, y la operación mejora la maquinabilidad de las barras (sección 17.5). Equipo de trefilado  El trefilado de barras se realiza en una máquina llamada banco de trefilado

que consiste en una mesa de entrada, un bastidor del dado (que contiene el dado de trefilado), el carro y el armazón de salida. El arreglo se muestra en la figura 13.35. El carro se usa para jalar el material a través del dado de trefilado. Está accionado por cilindros hidráulicos o cadenas movidas por un motor. El bastidor del dado se diseña frecuentemente para contener más de un dado, de manera que se puedan estirar varias barras en forma simultánea a través de los respectivos dados. El trefilado de alambre se hace con máquinas trefiladoras continuas que contienen múltiples dados de trefilado separados por tambores de acumulación entre los dados, como se ilustra en la figura 13.36. Cada tambor, llamado cabestrante o molinete, es movido por un motor que provee la fuerza apropiada para estirar el alambre a través del dado correspondiente. También mantiene una tensión regular en el alambre que pasa al siguiente dado de trefilado en la serie. Cada dado

290  CAPÍTULO 13  Procesos de deformación volumétrica en el trabajo de metales

Trabajo inicial

Mesa de entrada

Bastidor de dados Barras trefiladas Carro v

FIGURA 13.35  Banco de trefilado operado hidráulicamente para trefilado de barras metálicas. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

Cilindro hidráulico Armazón de salida

realiza cierta reducción en el alambre, y así se alcanza la reducción total deseada en la serie. Algunas veces se requiere recocido del alambre entre los grupos de dados en la serie, dependiendo del metal que se procesa y de la reducción total que se realiza. Dados de trefilado  La figura 13.37 identifica las características de un dado típico de trefilado.

Las cuatro regiones del dado que se pueden distinguir son las siguientes: 1) entrada, 2) ángulo de aproximación, 3) superficie del cojinete (superficie de calibración) y 4) superficie de alivio. La región de entrada es generalmente una abertura en forma de campana que no entra en contacto con el trabajo. Su propósito es hacer un embudo lubricante en el dado y prevenir el rayado en la superficie del trabajo y la superficie del dado. La aproximación es donde ocurre el proceso de trefilado. Es una abertura en forma de cono con un ángulo (medio ángulo) que fluctúa normalmente de 6 a 20°. El ángulo correcto varía de acuerdo con el material de trabajo. La superficie del cojinete o de calibración determina el tamaño final del material trefilado. Finalmente, la superficie de alivio es la zona de salida. Se provee con un ángulo de alivio posterior de 30°. Los dados de trefilado se hacen de acero para herramientas o carburo cementado. Los dados para alta velocidad en las operaciones de trefilado de alambre usan frecuentemente insertos hechos de diamante (sintético o natural) para las superficies de desgaste.

Caja de lubricación Alambre inicial (en forma de rollo) v1

Dado de trefilado v3, F

v2, F

Tambor cabestrante (mantiene múltiples vueltas de alambre) 1)

2)

3)

FIGURA 13.36  Trefilado continuo de alambre. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

Referencias  291

FIGURA 13.37  Dado de trefilado para barras redondas o alambre. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

Entrada Aproximación Ángulo de aproximación

α

Superficie de alivio Superficie de cojinete (superficie de calibración)

Preparación del trabajo  Antes del trefilado, el material inicial debe prepararse adecuadamente. Esto involucra tres pasos: 1) recocido, 2) limpieza y 3) afilado. El propósito del recocido es incrementar la ductilidad del material para aceptar la deformación durante el trefilado. Como ya se mencionó, algunas veces se necesitan pasos de recocido en el trefilado continuo. La limpieza del material se requiere para prevenir daños en la superficie del material de trabajo y en el dado de trefilado. Esto involucra la remoción de los contaminantes de la superficie (por ejemplo, capas de óxido y corrosión) por medio de decapado químico o limpieza con chorro de municiones. En algunos casos se prelubrica la superficie del material de trabajo después de la limpieza. El afilado implica la reducción del diámetro del extremo inicial del material de manera que pueda insertarse a través del dado de trefilado para iniciar el proceso; esto se logra generalmente mediante estampado, laminado o torneado. El extremo afilado del material se sujeta a las mordazas de la corredera o a otros dispositivos para iniciar el proceso de trefilado.

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[11] Johnson, W. “The Pressure for the Cold Extrusion of Lubricated Rod Through Square Dies of Moderate Reduction at Slow Speeds.” Journal of the Institute of Metals, vol. 85, 1956-1957. [12] Kalpakjian, S. Mechanical Processing of Materials, D. Van Nostrand Company, Inc., Princeton, New Jersey, 1967. Capítulo 5. [13] Kalpakjian, S. y Schmid, S. R. Manufacturing Processes for Engineering Materials, 6a. ed. Pearson Prentice Hall, Upper Saddle River, New Jersey, 2010. [14] Lange, K. et al. (eds.). Handbook of Metal Forming. Society of Manufacturing Engineers, Dearborn, Michigan, 2006. [15] Laue, K. y Stenger, H. Extrusion: Processes, Machinery and Tooling. American Society for Metals, Metals Park, Ohio, 1981. [16] Mielnik, E. M. Metalworking Science and Engineering. McGraw-Hill, Inc., Nueva York, 1991. [17] Roberts, W. L. Hot Rolling of Steel. Marcel Dekker, Inc. Nueva York, 1983. [18] Roberts, W. L. Cold Rolling of Steel. Marcel Dekker, Inc., Nueva York, 1978. [19] Schey, J. A. Introduction to Manufacturing Processes. 3a. ed. McGraw-Hill Book Company, Nueva York, 2000. [20] Wick, C. et al. (eds.). Tool and Manufacturing Engineers Handbook. 4a. ed., vol. II: Forming, Society of Manufacturing Engineers, Dearborn, Michigan, 1984.

292  CAPÍTULO 13  Procesos de deformación volumétrica en el trabajo de metales

Preguntas de repaso   13.1. ¿Por qué razones comerciales y tecnológicas son importantes los procesos de deformación volumétrica?   13.2. Mencione los cuatros procesos básicos de la deformación volumétrica.   13.3. ¿Qué es la laminación en el contexto de los procesos de deformación volumétrica?   13.4. Mencione algunos de los productos fabricados en un molino laminador.   13.5. ¿Qué es el pase en una operación de laminación?   13.6. ¿Qué es la adherencia en una operación de laminado en caliente?   13.7. Identifique algunas de las formas para reducir la fuerza en laminación plana.   13.8. ¿Qué es un molino laminador de dos rodillos?   13.9. ¿Qué es un molino reversible en laminación? 13.10. ¿Qué es el forjado? 13.11. Una manera de clasificar las operaciones de forjado es por el grado en que el dado restringe al material de trabajo. Mencione los tres tipos básicos de esta clasificación. 13.12. ¿Por qué es deseable la rebaba en el forjado con dado impresor?

13.13. ¿Qué es una operación de recortado de rebaba en el contexto de la impresión de dado forjado? 13.14. ¿Cuáles son los dos tipos básicos de equipos de forja? 13.15. ¿Qué es el forjado isotérmico? 13.16. ¿Qué es la extrusión? 13.17. Distinga entre extrusión directa y extrusión indirecta. 13.18. Mencione algunos productos que se fabrican por extrusión. 13.19. ¿Por qué la fricción es un factor determinante en la fuerza del ariete en la extrusión directa y no lo es en la extrusión indirecta? 13.20. Defina el trefilado de alambre y de barra. 13.21. A pesar de que la pieza de trabajo en una operación de trefilado de alambre está obviamente sujeta a esfuerzos de tensión, ¿de qué forma los esfuerzos de compresión juegan también un papel importante en el proceso? 13.22. ¿Por qué en una operación de trefilado de alambre, el esfuerzo de trefilado nunca debe exceder la resistencia de cedencia del metal de trabajo?

Problemas   13.1. Una placa de 42 mm de espesor fabricada de acero al bajo carbono se reduce a 34.0 mm en un paso de laminado. A medida que el espesor se reduce, la placa se engruesa 4 %. El esfuerzo de fluencia de la placa de acero es de 174 MPa y la resistencia de tensión es de 290 MPa. La velocidad de entrada de la placa es de 15.0 m/min. El radio del carrete es de 325 mm y la velocidad de rotación es de 49.0 rev/min. Determine a) el coeficiente de fricción mínimo requerido que haría esta operación de laminado posible, b) la velocidad de salida de la placa y c) el deslizamiento hacia delante.   13.2. Una plancha de 2.0 pulg de grueso tiene 10 pulg de ancho y 12.0 pies de longitud. El espesor se reduce en tres pasos de laminación en caliente. Cada paso reduce la plancha 75% de su grueso anterior. Para este metal y esta reducción se espera un ensanchamiento de 3% en cada paso. Si la velocidad de entrada de la plancha en el primer paso es de 40 pies/min y la velocidad de los rodillos es la misma para los tres pasos, determine a) la longitud y b) la velocidad de salida de la plancha después de la reducción final.   13.3. Se usa una serie de operaciones de laminado en frío para reducir el espesor de una placa de 50 a 25 mm en un molino reversible de 2 rodillos. El diámetro del rodillo es de 700 mm y el coeficiente de fricción entre los rodillos y el trabajo es de 0.15. La especificación es que el pase de laminación sea igual en cada paso. Determine a) el número mínimo de pases requerido y b) el pase para cada paso.   13.4. En el problema 13.3, suponga que está especificada una reducción porcentual igual en cada etapa en lugar del pase de laminación: a) ¿cuál es el número mínimo de pases requerido, b) ¿cuál es el pase de laminación para cada paso?   13.5. Una placa de 250 mm de ancho y 25 mm de espesor se reduce en un solo paso en un molino de dos rodillos a un

  13.6.   13.7.

  13.8.

  13.9.

espesor de 20 mm. El rodillo tiene un radio de 50 mm y su velocidad es de 30 m/min. El material de trabajo tiene un coeficiente de resistencia de 240 MPa y un exponente de endurecimiento por deformación de 0.2. Determine a) la fuerza de laminación, b) el torque de laminación y c) la potencia requerida para realizar esta operación. Resuelva el problema 13.5 utilizando un radio de rodillo de 250 mm. Una plancha de 4.50 pulg de grueso que tiene 9 pulg de ancho y 24 pulg de largo se reducirá en un solo paso en un molino de dos rodillos a un espesor de 3.87 pulg. El rodillo gira a una velocidad de 5.50 rev/min y tiene un radio de 17.0 pulg. El material de trabajo tiene un coeficiente de resistencia igual a 30 000 lb/pulg2 y un exponente de endurecimiento por deformación de 0.15. Determine a) la fuerza de laminación, b) el torque del laminado y c) la potencia requerida para realizar esta operación. Una operación de laminado de un solo paso reduce una placa de 20 mm de grueso a 18 mm. La placa inicial tiene un ancho de 200 mm. El radio del rodillo es de 250 mm y la velocidad de rotación es de 12 rev/min. El material de trabajo tiene un coeficiente de resistencia de 600 MPa y un exponente de endurecimiento por deformación de 0.22. Determine a) la fuerza de laminación, b) el torque de laminación y c) la potencia requerida para esta operación. Un molino de laminación en caliente tiene rodillos cuyo diámetro es de 24 pulg. Puede ejercer una fuerza máxima de 40 000 libras. El molino tiene una potencia máxima de 100 hp. Se desea reducir una placa de 1.5 pulg de grueso al pase de laminación máximo posible en un solo paso. La placa inicial tiene 10 pulg de ancho. El material caliente tiene un coeficiente de resistencia de 20 000 lb/pulg2 y un

Problemas  293

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13.11.

13.12.

13.13.

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exponente de endurecimiento por deformación de 0. Determine a) el pase de laminación máximo posible, b) la deformación real asociada y c) la velocidad máxima de los rodillos para esta operación. Una pieza cilíndrica es recalcada en un dado abierto. El diámetro inicial es de 45 mm y la altura inicial es de 40 mm. La altura después del forjado es de 25 mm. El coeficiente de fricción en la interfaz dado-material de trabajo es de 0.20. La resistencia a la cedencia del material de trabajo es de 285 MPa y su curva de fluencia está definida por un coeficiente de resistencia de 600 MPa y un exponente de endurecimiento por deformación de 0.12. Determine la fuerza instantánea en la operación: a) en el momento en que se alcanza el punto de cedencia (cedencia a la deformación de 0.002), b) si h = 35 mm, c) si h = 30 mm y d) si h = 25 mm. Se recomienda el uso de una hoja de cálculo. Una pieza cilíndrica se recalca en frío en un dado abierto con diámetro = 2.5 pulg, altura = 2.5 pulg y una altura final de 1.5 pulg. El coeficiente de fricción en la interfaz rodillo-material de trabajo es de 0.10. El material de trabajo tiene una curva de fluencia definida por K = 40 000 lb/ pulg2 y n = 0.15. Resistencia a la cedencia = 15 750 lb/ pulg2. Determine la fuerza instantánea en la operación: a) cuando se alcanza el punto de cedencia (cedencia a la deformación de 0.002), b) h = 2.3 pulg, c) h = 2.1 pulg, d) h = 1.9 pulg, e) h = 1.7 pulg y f) h = 1.5 pulg. Se recomienda el uso de un hoja de cálculo. Se ejecuta una operación de cabeceado en frío para producir la cabeza de un clavo de acero. El coeficiente de resistencia del acero es 600 MPa y el exponente de endurecimiento por deformación es de 0.22. El coeficiente de fricción en la interfaz dado-trabajo es 0.14. El alambre del cual se hace el clavo es de 5.00 mm de diámetro. La cabeza tiene un diámetro de 9.5 mm y un espesor de 1.6 mm. La longitud final del clavo es de 120 mm. a) ¿qué longitud de alambre se debe proyectar fuera de la matriz para proveer el volumen suficiente de material para esta operación de recalcado? b) Calcule la fuerza mínima que debe aplicar el punzón para formar la cabeza en esta operación de dado abierto. Consiga un clavo común grande de cabeza (cabeza plana). Mida el diámetro de la cabeza y su espesor, así como el diámetro del rabo del clavo. a) ¿Qué longitud de material debe proyectarse fuera del dado para proveer el suficiente material para producir el clavo? b) Usando los valores apropiados para el coeficiente de resistencia y el exponente de endurecimiento por deformación del metal con el que se produce el clavo (tabla 3.4), calcule la fuerza máxima en la operación de cabeceado para formar la cabeza. Una operación de recalcado en caliente se ejecuta en un dado abierto. La pieza de trabajo inicial tiene un diámetro = 25 mm y una altura = 50 mm. La pieza se recalca a un diámetro promedio = 50 mm. A esta elevada temperatura, el metal de trabajo fluye a 85 MPa (n = 0). El coeficiente de fricción en la interfaz material de trabajo-dado es de 0.40. Determine a) la altura final de la pieza, b) la fuerza máxima en la operación. Una prensa hidráulica de forja es capaz de ejercer una fuerza máxima de 1 000 000 N. Una pieza cilíndrica se recalca en frío. La pieza inicial tiene un diámetro de 30 mm y una

13.16.

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13.20.

13.21.

altura de 30 mm. La curva de fluencia del metal se define por K = 400 MPa y n = 0.2. Determine la reducción máxima en altura a la que puede ser comprimida la pieza con la prensa, si el coeficiente de fricción es de 0.1. Se recomienda el uso de una hoja de cálculo. Se diseña una pieza para forjarse en caliente en un dado impresor. El área proyectada de la pieza incluyendo la rebaba es de 16 pulg2. Después del recortado, la pieza tendrá un área proyectada de 10 pulg2. La configuración geométrica de la pieza es compleja. El material fluye a 10 000 lb/ pulg2 al calentarse y no tiende a endurecerse por deformación. A temperatura ambiente, el material fluye a 25 000 lb/pulg2. Determine la fuerza máxima requerida para ejecutar la operación de forjado. Una biela se diseña para forjado en caliente en un dado impresor. El área proyectada de la pieza es de 6 500 mm2. El diseño del dado ocasionará la formación de rebaba durante el forjado, así que el área, incluyendo la rebaba, será de 9 000 mm2. La geometría de la pieza se considera compleja. Al calentarse el material de trabajo fluye a 75 MPa y no tiende a endurecerse por deformación. Determine la fuerza máxima requerida para ejecutar la operación. Un tocho cilíndrico de 100 mm de longitud y 50 mm de diámetro se reduce por extrusión indirecta (inversa) a 20 mm de diámetro. El ángulo del dado es de 90°. En la ecuación de Johnson, a = 0.8 y b = 1.4. En la curva de fluencia para el material de trabajo, el coeficiente de resistencia = 800 MPa y el exponente de endurecimiento por deformación = 0.13. Determine a) la relación de extrusión, b) la deformación real (deformación homogénea), c) la deformación de extrusión, d) la presión del ariete y e) la fuerza del ariete. Un tocho cilíndrico de 3 pulg de largo y 1.5 pulg de diámetro se reduce por extrusión indirecta a un diámetro de 0.375 pulg. El ángulo del dado es de 90°. Si la ecuación de Johnson tiene a = 0.8 y b = 1.5, y la curva de fluencia para el material de trabajo es K = 75 000 lb/pulg2 y n = 0.25, determine: a) la relación de extrusión, b) la deformación real (deformación homogénea), c) la deformación por extrusión, d) la presión del ariete, e) la fuerza del ariete y f) la potencia si la velocidad del ariete es de 20 pulg/min. Un tocho cuya longitud es de 75 mm y un diámetro de 35 mm se extruye directamente a un diámetro de 20 mm. El dado de extrusión tiene un ángulo de 75°. Para el metal de trabajo, K = 600 MPa y n = 0.25. En la ecuación de esfuerzo por extrusión de Johnson, a = 0.8 y b = 1.4. Determine a) la relación de extrusión, b) la deformación real (deformación homogénea), c) la deformación de extrusión y d) la presión del ariete a L = 70, 60, 50, 40, 30, 20 y 10 mm. Para el inciso d) se recomienda el uso de una hoja de cálculo. Un tocho de 2 pulg de longitud y con un diámetro de 1.25 pulg se extruye directamente a un diámetro de 0.50 pulg. El ángulo de extrusión del dado es de 90°. Para el metal de trabajo, K = 45 000 lb/pulg2 y n = 0.20. En la ecuación de deformación por extrusión de Johnson, a = 0.8 y b = 1.5. Determine a) la relación de extrusión, b) la deformación real (deformación homogénea), c) la deformación por extrusión y d) la presión del ariete a L = 2.0, 1.5, 0.5 y 0 pulg. Para el inciso d) se recomienda el uso de una hoja de cálculo.

294  CAPÍTULO 13  Procesos de deformación volumétrica en el trabajo de metales

5 5

5 55

5 20

2.5

50

60 a)

30

b)

60

85

c)

d)

FIGURA P13.24  Formas de la sección transversal para el problema 13.24 (las dimensiones están dadas en milímetros): a) barra rectangular, b) tubo, c) canal y d) aletas de enfriamiento. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

13.22. Un proceso de extrusión indirecta empieza con un tocho de aluminio de 2.0 pulg de diámetro y 3.0 pulg de largo. La sección transversal final después de la extrusión es un cuadrado de 1.0 pulg por lado. El ángulo del dado es de 90°. La operación se realiza en frío y el coeficiente de resistencia del metal es K = 26 000 lb/pulg2 y el coeficiente de endurecimiento por deformación n =0.20. En la ecuación de deformación por extrusión de Johnson, a = 0.8 y b = 1.2. a) Calcule la relación de extrusión, la deformación real y la deformación por extrusión. b) ¿Cuál es el factor de forma del producto? c) Si el tope que se deja en el recipiente al final de la carrera es de 0.5 pulg de grueso, ¿cuál es la longitud de la sección extruida? d) Determine la presión del ariete en el proceso. 13.23. Una pieza en forma de copa se extruye hacia atrás a partir de un pedazo de aluminio que tiene 50 mm de diámetro. Las dimensiones finales de la copa son: DE = 50 mm, DI = 40 mm, altura = 100 mm y espesor de la base = 5 mm. Determine a) la relación de extrusión, b) el factor de forma, c) la altura del pedazo inicial requerido para lograr las dimensiones finales. d) Si el metal tiene como parámetros de la curva de fluencia K = 400 MPa y n = 0.25, y las constantes de la ecuación de deformación por extrusión de Johnson son a = 0.8 y b = 1.5, determine la fuerza de extrusión. 13.24. Determine el factor de forma para cada una de las formas del orificio de extrusión que se ilustran en la figura P13.24. 13.25. Una operación de extrusión directa produce la sección transversal que se muestra en la figura P13.24a), a partir de un tocho de latón cuyo diámetro = 125 mm y cuya longitud = 350 mm. Los parámetros de la curva de fluencia para el latón son K = 700 MPa y n = 0.35. En la ecuación de deformación de Johnson, a = 0.7 y b = 1.4. Determine a) la relación de extrusión, b) el factor de forma, c) la fuerza requerida para impulsar el ariete hacia adelante durante la extrusión en el punto del proceso cuando la longitud del tocho que permanece en el contenedor = 300 mm y d) la longitud de la sección extruida al final de la operación si el volumen del tope restante en el contenedor es de 600 000 mm3. 13.26. En una operación de extrusión directa se produce la sección transversal que se muestra en la figura P13.24b), a partir de un tocho de cobre cuyo diámetro = 125 mm y

cuya longitud = 500 mm. En la curva de fluencia para el cobre, el coeficiente de resistencia = 300 MPa y el exponente de endurecimiento por deformación = 0.50. En la ecuación de deformación de Johnson, a = 0.8 y b = 1.5. Determine a) la relación de extrusión, b) el factor de forma, c) la fuerza requerida para impulsar el ariete hacia adelante durante la extrusión en el punto del proceso cuando la longitud del tocho que permanece en el contenedor = 450 mm y d) la longitud de la sección extruida al final de la operación si el volumen del tope restante en el contenedor es de 350 000 mm3. 13.27. Una operación de extrusión directa produce la sección transversal que se muestra en la figura P13.24c), a partir de un tocho de aluminio cuyo diámetro = 150 mm y cuya longitud = 500 mm. Los parámetros de la curva de fluencia para el latón son K = 240 MPa y n = 0.16. En la ecuación de deformación de Johnson, a = 0.8 y b = 1.2. Determine a) la relación de extrusión, b) el factor de forma, c) la fuerza requerida para impulsar el ariete hacia adelante durante la extrusión en el punto del proceso cuando la longitud del tocho que permanece en el contenedor = 400 mm y d) la longitud de la sección extruida al final de la operación si el volumen del tope restante en el contenedor es de 600 000 mm3. 13.28. Una operación de extrusión directa produce la sección transversal que se muestra en la figura P13.24d), a partir de un tocho de aluminio cuyo diámetro = 150 mm y cuya longitud = 900 mm. Los parámetros de la curva de fluencia para el latón son K = 240 MPa y n = 0.16. En la ecuación de deformación de Johnson, a = 0.8 y b = 1.5. Determine a) la relación de extrusión, b) el factor de forma, c) la fuerza requerida para impulsar el ariete hacia adelante durante la extrusión en el punto del proceso cuando la longitud del tocho que permanece en el contenedor = 850 mm y d) la longitud de la sección extruida al final de la operación si el volumen del tope restante en el contenedor es de 600 000 mm3. 13.29. Se estira un alambre con un diámetro inicial de 2.5 mm. Se estira por medio de un dado con una abertura de 2.1 mm. El ángulo de entrada del dado es de 18°. El coeficiente de fricción en la interfaz material de trabajo-dado es de 0.08. El metal de trabajo tiene un coeficiente de resistencia de 450 MPa y un exponente de deformación por endureci-

Problemas  295

miento de 0.26. El trefilado se lleva a cabo a temperatura ambiente. Determine a) el área de reducción, b) el esfuerzo de trefilado y c) la fuerza de trefilado requerida para la operación. 13.30. Un material en barra con un diámetro inicial de 0.5 pulg se estira mediante un dado con un ángulo de entrada de 13°. El diámetro final de la barra es de 0.375 pulg. El metal tiene un coeficiente de resistencia de 40 000 lb/pulg2 y un exponente de deformación por endurecimiento de 0.20. El coeficiente de fricción en la interfaz material de trabajodado es de 0.1. Determine a) la reducción del área, b) la fuerza de trefilado para la operación y c) los caballos de potencia para realizar la operación si la velocidad de salida es de 2 pies/s. 13.31. Un material en barra con un diámetro inicial de 90 mm se estira con un pase de trefilado de 15 mm. El dado de trefilado tiene un ángulo de entrada de 18° y su coeficiente de fricción en la interfaz material de trabajo-dado es de 0.08.

El metal se comporta como un material plástico perfecto con un esfuerzo a la fluencia de 105 MPa. Determine a) la reducción del área, b) el esfuerzo de trefilado, c) la fuerza de trefilado requerida para la operación y d) la potencia para realizar la operación si la velocidad de salida es de 1.0 m/min. 13.32. Un alambre cuyo diámetro inicial es de 0.125 pulg se estira a través de dos dados, produciendo cada dado una reducción de área de 0.20. El metal inicial tiene un coeficiente de resistencia de 40 000 lb/pulg2 y un exponente de endurecimiento por deformación de 0.15. Cada dado tiene un ángulo de entrada de 12° y el coeficiente de fricción en la interfaz material de trabajo-dado se estima que tiene un valor de 0.10. Los motores que impulsan los cabestrantes a la salida del dado pueden entregar 1.50 hp a 90% de eficiencia. Determine la velocidad máxima posible del alambre al salir del segundo dado.

14

Conformado de láminas metálicas

CONTENIDO DEL CAPÍTULO 14.1

Operaciones de corte 14.1.1  Cizallado, troquelado y punzonado 14.1.2 Análisis de ingeniería del corte de láminas metálicas 14.1.3  Otras operaciones de corte de láminas metálicas 14.2 Operaciones de doblado 14.2.1  Doblado en V y doblado de bordes 14.2.2  Análisis de la ingeniería del doblado 14.2.3 Otras operaciones de doblado y formado 14.3 Embutido 14.3.1  Mecánica del embutido 14.3.2  Análisis de ingeniería del embutido 14.3.3  Otras operaciones de embutido 14.3.4  Defectos del embutido

14.4

14.5

14.6

Otras operaciones de formado de láminas metálicas 14.4.1 Operaciones realizadas con herramientas metálicas 14.4.2  Procesos de formado con caucho Dados y prensas para procesos con láminas metálicas 14.5.1  Troqueles y matrices 14.5.2 Prensas Operaciones con láminas metálicas no realizadas en prensas 14.6.1  Formado por estirado 14.6.2  Doblado y formado con rodillos 14.6.3 Rechazado 14.6.4  Formado por alta tasa de energía

El conformado de láminas metálicas incluye operaciones de corte y formado realizadas sobre láminas delgadas de metal. Los espesores del material típicos están entre 0.4 mm (1/64 pulg) y 6 mm (1/4 pulg). Cuando el espesor excede de 6 mm se le llama placa en lugar de lámina. El material de lámina o placa que se usa en el conformado de láminas se produce por laminación plana (sección 13.1.1). El metal laminado que se usa con más frecuencia es el acero al bajo carbono (típicamente entre 0.06 y 0.15% de C). Su bajo costo y buena formabilidad, combinados con una resistencia suficiente para la mayoría de las aplicaciones de producto, lo hacen ideal como un material de inicio. La importancia comercial del conformado de láminas es significativa. Considere el número de productos industriales y de consumo que incluyen piezas de lámina metálica: carrocerías de automóviles y camiones, aeroplanos, carros de ferrocarril y locomotoras, equipo de construcción y agrícola, utensilios pequeños y grandes, muebles y equipo de oficina, etc. Aunque estos ejemplos son obvios debido a que tienen lámina en su exterior, muchos componentes internos de estos productos se hacen también de láminas o placas. Las piezas de lámina metálica se caracterizan generalmente por su alta resistencia, buena precisión dimensional, buen acabado superficial y bajo costo relativo. Para los componentes que deben hacerse en grandes cantidades, pueden diseñarse operaciones económicas de producción en masa para procesar las piezas. Las latas de aluminio son un buen ejemplo. El procesamiento de láminas metálicas se realiza a temperatura ambiente (trabajo en frío), excepto cuando el material es grueso, frágil o la deformación es significativa. Éstos son los casos usuales de trabajo en tibio más que trabajo en caliente. La mayoría de las operaciones con láminas metálicas se ejecutan en máquinas llamadas prensas. Se usa el término prensa de estampado para distinguir estas prensas de las prensas de

14.1  Operaciones de corte   297

forjado y extrusión. Las herramientas que se usan para realizar el trabajo en láminas se llaman punzón y matriz o troquel;1 también se usa el término matriz de estampado. Los productos hechos de lámina se llaman estampados, piezas troqueladas o formatos. Para facilitar la producción en masa, las láminas de metal se introducen en las prensas frecuentemente en forma de tiras o rollos. En la sección 14.5 se describen varios tipos de herramientas de troquel y punzón, así como prensas de estampado. En las secciones finales del capítulo se describen varias operaciones que no utilizan las herramientas convencionales de punzón y matriz, muchas de las cuales no se realizan en prensas de estampado. Las tres grandes categorías de los procesos de láminas metálicas son: 1) corte, 2) doblado y 3) embutido. El corte se usa para separar láminas grandes en piezas menores, para cortar un perímetro o hacer agujeros en una pieza. El doblado y el embutido se usan para transformar láminas de metal en piezas de forma especial.

14.1  Operaciones de corte El corte de lámina se realiza por una acción de cizalla entre dos bordes afilados de corte. La acción de cizalla se describe en los cuatro pasos esquematizados en la figura 14.1, donde el borde superior de corte (el punzón) se mueve hacia abajo sobrepasando el borde estacionario inferior de corte (el troquel). Cuando el punzón empieza a empujar el trabajo, ocurre una deformación plástica en las superficies de la lámina; conforme éste se mueve hacia abajo ocurre la penetración, en la cual comprime la lámina y corta el metal. Esta zona de penetración es generalmente una tercera parte del espesor de la lámina. A medida que el punzón continúa su viaje dentro del trabajo, se inicia la fractura en el material de trabajo entre los dos bordes de corte. Si el espacio entre el punzón y el troquel es correcto, las dos líneas de fractura se encuentran y el resultado es una separación limpia del material de trabajo en dos piezas. Los bordes cizallados de la lámina tienen formas características que se muestran en la figura 14.2. Encima de la superficie de corte hay una región que se llama redondeado. Éste corresponde a la depresión hecha por el punzón en el trabajo antes de empezar el corte. Aquí es donde empieza la deformación plástica del trabajo: justo abajo del redondeado hay una región relativamente lisa llamada bruñido. Ésta resulta de la penetración del punzón en el material antes de empezar

v, F

v Punzón Deformación plástica

v, F

v, F

Penetración

t c

Fractura

Troquel 1)

2)

3)

4)

FIGURA 14.1  Cizallado o corte de una lámina metálica entre dos bordes cortantes: 1) inmediatamente antes de que el punzón entre en contacto con el material, 2) el punzón comienza a oprimir el trabajo causando deformación plástica, 3) el punzón comprime y penetra en el trabajo formando una superficie lisa de corte y 4) se inicia la fractura entre los dos bordes de corte opuestos que separan la lámina. Los símbolos v y F indican movimiento y fuerza aplicada, respectivamente, t = espesor del material, c = holgura. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.) 1

Nota de R. T.: se usará el término troquel sólo cuando se refiera a una operación entre macho/hembra en donde se ejerza una acción cortante. Cuando el negativo recibe la deformación de la lámina dando forma se empleará matriz o dado, según sea el caso.

298  CAPÍTULO 14  Conformado de láminas metálicas

FIGURA 14.2  Bordes cizallados característicos del material de trabajo. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

Redondeado Bruñido

t

Zona de fractura Rebaba

la fractura. Debajo del bruñido está la zona de fractura, una superficie relativamente tosca del borde de corte donde el movimiento continuo del punzón hacia abajo causa la fractura del metal. Por último, al fondo del borde está la rebaba, un filo causado por la elongación del metal durante la separación final de las dos piezas.

14.1.1  Cizallado, troquelado y punzonado Las tres operaciones principales en el trabajo de prensa que cortan el metal por el mecanismo de cizallamiento que se acaba de describir son el cizallado, el troquelado y el punzonado. El cizallado es la operación de corte de una lámina de metal a lo largo de una línea recta entre dos bordes de corte, como se muestra en la figura 14.3a). El cizallado se usa típicamente para reducir grandes láminas a secciones más pequeñas para operaciones posteriores de prensado. Se ejecuta en una máquina llamada cizalla de potencia o cizalla recta. La cuchilla superior de la cizalla de potencia está frecuentemente sesgada, como se muestra en la figura 14.3b), para reducir la fuerza requerida de corte. El troquelado implica el corte de una lámina de metal a lo largo de una línea cerrada en un solo paso para separar la pieza del material circundante, como se muestra en la figura 14.4a). La pieza que se corta es el producto deseado en la operación y se designa como la pieza deseada o formato.2 El punzonado es muy similar al punzonado, excepto que produce un orificio, y la pieza cortada se desecha y se llama pedacería. El material remanente es la pieza deseada. La distinción se ilustra en la figura 14.4b).

14.1.2  Análisis de ingeniería del corte de láminas metálicas Los parámetros de proceso en el corte de láminas metálicas son la holgura entre el punzón y el troquel, el espesor del material, el tipo de metal y su resistencia, y la longitud del corte. A continuación se definen estos parámetros y algunas de las relaciones entre ellos. FIGURA 14.3  Operación de cizallado: a) vista lateral de la operación, b) vista frontal de la cizalla equipada con una cuchilla superior sesgada. El símbolo v indica movimiento. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

v

v

Cizalla

Troquel a)

b)

2 Nota del R. T.: el término “formato” es ampliamente usado en la industria metal-mecánica para designar el “blank”, siempre que éste define una pieza con forma. Cuando sólo es un trozo de metal cualquiera generado por la operación se usará el término pieza en bruto.

C14

08/02/2011

11:35:16

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14.1  Operaciones de corte   299

Section 14.1/Cutting Operations Tira (desperdicio)

307

Pieza

FIGURE 14.4

FIGURA 14.4 and a) (b) Troque(a) Blanking lado y b) punzonado. punching. (Credit: (Crédito: Fundamentals of MoFundamentals of Modern dern Manufacturing,th4a. Manufacturing, 4 ed., de Mikell P. Groover, Edition by Mikell P. 2010. Reimpreso con autoGroover, Reprinted rización de 2010. John Wiley & with permission of John Sons, Inc.)

Formato (pieza deseada) a)

Wiley & Sons, Inc.)

Pedacería (desperdicio) b)

Holgura  En una operación, la holgura c es la distancia entre el punzón y el troquel, tal como se muestra la figura 14.1a). Losofespacios típicos en thickness el prensado convencional fluctúan entre 4y range en between 4% and 8% the sheet-metal t. The correct clearance depends 8%ondel espesor de la lámina metálica t. El espacio correcto depende del tipo de lámina y su espesheet-metal type and thickness. The recommended clearance can be calculated by the sor. El que seformula: recomienda se puede calcular mediante la fórmula siguiente: following



c ¼ Ac t

(14.1) (14.1)

where c¼ clearance, mm (in); ¼ clearance t ¼ stock mm donde c= holgura, mm (pulg); Ac A =c tolerancia del allowance; espacio, y tand = espesor delthickness, material, mm (in). The clearance allowance is determined according to type of metal. For convenience, (pulg). La tolerancia se determina de acuerdo con el tipo de material. Los materiales se clasifican are classified into three groups given14.1, in Table an associated allowance pormetals conveniencia en tres grupos dados en la tabla con un14.1, valorwith de tolerancia asociado a cada value for each group. grupo. values can beaplicar applied to conventional blanking Los These valorescalculated calculados clearance de la holgura se pueden al troquelado convencional y a and las hole-punching operations to determine the properelpunch and sizes.yThe die opening operaciones de punzonado de agujeros para determinar tamaño deldie punzón del troquel ademustEs always be que larger than thedel punch size (obviously). to add thetamaño clearance cuado. evidente la abertura troquel debe ser siempreWhether más grande que el del value La to the die size or subtract it from the punch depends on whether thedel part being punzón. adición del valor del espacio al tamaño del size troquel o su resta del tamaño punzón cut outdeisque a blank or que a slug, as illustrated in Figure 14.5 forcomo a circular part.enBecause the depende la pieza se corta sea un formato o pedacería, se ilustra la figura of 14.5, geometry ofcircular. the sheared edge, outer of thelapart cut out exterior of the sheet be para una pieza Debido a lathe forma deldimension borde cizallado, dimensión de lawill pieza are larger thandethe size. Thus, sizes for round blank of diameter Dbdel que se corta la hole lámina será más punch-and-die grande que el tamaño dela agujero; por tanto, el tamaño determined as: para una forma o pieza redonda de diámetro Db se determina como sigue: punzón y del troquel Blanking punch ¼ Db � Diámetro del punzón dediameter corte de formas = 2Dc b – 2c



(14.2a) (14.2a)

(14.2b) Blanking die diameter ¼ Db Diámetro del troquel de corte de formas = Db (14.2b) Punch-and-die sizes for a round hole of diameter Dh are determined as: Los tamaños del troquel y del punzón para un agujero redondo de diámetro Dh se determinan Hole punch diameter ¼ Dh (14.3a) como sigue:

DiámetroHole del punzón para corte þ 2c = Dh die diameter ¼ de Dhagujeros



(14.3a) (14.3b)

In order for the slug or blank to drop through the die, the die opening must have an angular clearanceDiámetro del troquel =D (14.3b) � � h + 2c to de 1.5agujeros on each side. (see Figure 14.6) ofpara 0.25corte

TABLE 14.1

Clearance allowance value for three sheet-metal groups

TABLA 14.1  Valor de las tolerancias para los tres grupos de láminas metálicas Metal Group Grupo metálico 1100S and 5052S aluminum alloys, all tempers.

Ac Ac

2024STdeand 6061ST aluminum brass, all tempers; soft cold-rolled steel, 0.045 Aleaciones aluminio 1100S y 5052S,alloys; todos los temples soft de stainless steel. Aleaciones aluminio 2024ST y 6061ST; latón, todos los temples; Cold-rolled steel, half-hard; stainless steel,frío half-hard and full-hard. 0.060   acero blando laminado en frío; acero inoxidable 0.075 Acero laminado en frío, dureza media; acero inoxidable, dureza media y alta Compiled from [3].

Recopilado de [3].

0.045 0.060 0.075

C14 C14 08/02/2011 08/02/2011

11:35:17 11:35:17 Page Page308 308

300  CAPÍTULO 14  Conformado de láminas metálicas

308 308

Chapter Chapter14/Sheet 14/SheetMetalworking Metalworking Punzón Material, lámina Dh = Tamaño del punzón FIGURA 14.5  El tamaño del troquel determina el tamaño de la forma Db; el tamaño del punzón determina el tamaFIGURE FIGURE14.5 14.5 Die Diesize sizedetermines determines ño del agujero Dh; c = espacio. (Crédi; punch ; punch size size determines determines blank blank size size D D b b to: Fundamentals of Modern Manufachole hole size size D D .; .; c c ¼ ¼ clearance. clearance. h h turing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, (Credit: (Credit: Fundamentals Fundamentals ofofModern Modern 2010. Reimpreso con autorización de Manufacturing, Manufacturing, 4th 4thEdition EditionbybyMikell Mikell John Wiley & Sons, Inc.)

c

Troquel

c

Db = Tamaño del troquel Formato de la pieza

P.P.Groover, Groover,2010. 2010.Reprinted Reprintedwith with permission permissionofofJohn JohnWiley Wiley&&Sons, Sons, Inc.) Inc.) Para que los formatos o la pedacería caigan a través del troquel, la abertura de éste debe tener

una holgura angular entre 0.25 y 1.5° de cada lado (véase la figura 14.6). Fuerzas deForces corte  Es importante estimar laforce fuerza corte porque éstathis determina el tamaño Cutting Cutting Forces Estimates Estimates ofofcutting cuttingforce are arede important important because because thisforce forcedetermines determines (tonelaje) de la prensa necesaria. La fuerza de corte F en el conformado de láminas puede deterthe thesize size(tonnage) (tonnage)ofofthe thepress pressneeded. needed.Cutting Cuttingforce forceFFininsheet sheetmetalworking metalworkingcan canbebe minarse por determined determinedbyby



StL FF¼¼StL

(14.4) (14.4) (14.4)

2); t = 2espesor donde S =S Sresistencia cortante deofthe lathe lámina, (lb/pulg del material, mm mm (pulg), y t ¼stock stock thickness, thickness, mm(in), (in), where shearstrength strengthof sheetMPa metal, MPa (lb/in);2);t ¼ where ¼¼shear sheet metal, MPa (lb/in L and =and longitud del borde corte, mm (pulg). En el In troquelado, punzonado, ranurado y operaciones LL¼¼length length ofofde the the cut cutedge, edge, mm mm(in). (in). Inblanking, blanking, punching, punching, slotting, slotting, and andsimilar similar similares, L es la del perímetro del of formato o agujero que being sebeing corta. EnThe la determinación de operations, operations, LLlongitud isisthe theperimeter perimeter length length ofthe theblank blank ororhole hole cut. cut. The minor minoreffect effect ofof L clearance seclearance puede anular el efecto menor del espacio. Si be sebe desconoce laIfresistencia cortante, se puede esinindetermining determining the thevalue value ofofLLcan can neglected. neglected. Ifshear shearstrength strength isisunknown, unknown, anan timar la fuerza way deway corte mediante el the uso decutting la resistencia ato latouse tensión, la siguiente manera: alternative alternative ofofestimating estimating thecutting force forceisis usethe thede tensile tensile strength: strength:



0:7ðTSÞtL FF¼¼0:7ðTSÞtL

(14.5) (14.5) (14.5)

2 22). donde TSTS =TSresistencia última a lastrength tensión, MPa (lb/pulg where ultimate tensile strengthMPa MPa (lb/in ).). where ¼¼ultimate tensile (lb/in En las ecuaciones anteriores para estimar la fuerza deassume corte, sethat supone el corte entero se These These equations equations for forestimating estimating cutting cutting force force assume thatthe theque entire entire cut cutalong alongthe the hace al mismo tiempo a todo largoatLatthe del corte. este caso lacutting fuerza de cortewill será sheared sheared edge edge length length LLisislo made made theborde same samede time. time. InInEn this this case case the the cutting force force willbeun bea a máximo. Es posible reducirto latoreduce fuerza máxima usando force un borde de corte sesgado en el punzón oon maximum. maximum. ItItisispossible possible reduce the themaximum maximum force bybyusing using ananangled angledcutting cutting edge edgeon enthe el troquel, como se muestra en la figura 14.3b). El ángulo (llamado ángulo de corte) distributhepunch punchorordie, die,asasininFigure Figure14.3(b). 14.3(b).The Theangle angle(called (calledthe theshear shearangle), angle),spreads spreadsthe thecut cut yeover el corte enand el tiempo y reduce la fuerza que se experimenta cada momento. De cualquier over time time and reduces reduces the theforce force experienced experienced atatany anyone oneamoment. moment. However, However, the thetotal total manera, larequired energía total requerida en laisoperación es whether lawhether misma,itit ya que se concentre un energy energy required ininthe theoperation operation isthe thesame, same, isissea concentrated concentrated into intoaen abrief brief breve momento o se distribuya sobre un periodo más largo. moment momentorordistributed distributedover overa alonger longertime timeperiod. period.

Ejemplo 14.1  Example Example 14.1 14.1 Holgura en el Blanking Blanking Clearance Clearanceand punzonado yand Force Force fuerza

SeAtroquela un disco de 150 diameter mm de diámetro de una tirafrom de acero deof3.2 mm, laminado encoldfrío Around rounddisk disk ofof150-mm 150-mm diameter isistotobebe blanked blanked from a astrip strip of3.2-mm, 3.2-mm, half-hard half-hard coldmedio endurecido, cuya resistencia cortante de 310 MPa. Determine a)appropriate los diámetros apropiarolled rolled steel steelwhose whose shear shear strength strength ¼¼310 310es MPa. MPa. Determine Determine (a) (a)the theappropriate punch-andpunch-anddos deldiameters punzón y and del troquel, y b) la fuerza die die diameters and (b) (b)blanking blanking force. force.del punzonado.

Porción recta (para reafilado)

Troquel

FIGURE FIGURE14.6 14.6 Angular Angularclearance. clearance.(Credit: (Credit: FIGURA 14.6  Holgura angular. (Crédito: Fundamentals of byby Fundamentals Fundamentals ofofModern Modern Manufacturing, Manufacturing, 4th 4thEdition Edition Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Mikell MikellP.P.Groover, Groover,2010. 2010.Reprinted Reprintedwith withpermission permissionofof Reimpreso con&autorización de John Wiley & Sons, Inc.) John JohnWiley Wiley &Sons, Sons,Inc.) Inc.)

Troquel

Holgura angular

C14 C14

08/02/2011 08/02/2011

11:35:18 11:35:18

Page 309 Page 309

14.1  Operaciones de corte   301

Section 14.1/Cutting Operations 309 14.1/Cutting Solución:  a) A partir de la tabla 14.1, la tolerancia de Section la holgura para aceroOperations laminado en frío309 de

Solution: (a)=From Table 14.1, the clearance allowance for half-hard cold-rolled steel is dureza media es A 0.075. Por consiguiente, el espacio es c ¼ 0.075. Accordingly, A Solution: (a) From Table 14.1, the clearance allowance for half-hard cold-rolled steel is c c = 0.075(3.2 mm) = 0.24 mm Ac ¼ 0.075. Accordingly, c ¼ 0:075ð3:2 mmÞ ¼ 0:24 mm El disco tendrá un diámetro de 150c mm, y el tamaño del¼troquel determina el tamaño del formato. ¼ 0:075ð3:2 mmÞ 0:24 mm Por The tanto,blank is to have a diameter ¼ 150 mm, and die size determines blank size. Therefore, The blank is to have a diameter ¼ 150 mm, and die size determines blank size. Therefore, Die opening mm Diámetro de diameter la abertura¼del150:00 troquel = 150.00 mm Punch diameter ¼150:00 150 �mm 2ð0:24Þ ¼ 149:52 Diámetro deldiameter punzón =¼150 – 2(0.24) = 149.52 mmmm Die opening Punch diameter ¼ 150 � 2ð0:24Þ ¼ 149:52 mm b) Para determinar la fuerza de punzonado, se assume supone que perímetro entero del of formato se is (b) To determine the blanking force, we thatelthe entire perimeter the part corta en una sola operación. La longitud del borde de corte es blanked at one time. The length of the cut edge is (b) To determine the blanking force, we assume that the entire perimeter of the part is blanked at one time. The length of the cut edge is  L ¼ pDb ¼ 150p ¼ 471:2 mm L ¼ pD ¼ 150p ¼ 471:2 mm b and the force is y la fuerza es and the force is & F ¼ 310ð471:2Þð3:2Þ ¼ 467; 469 N ð� 53 tonsÞ ■& 467 469 F ¼ 310ð471:2Þð3:2Þ ¼ 467; 469 N ð� 53 tonsÞ 

14.1.3 OTHER SHEET-METAL-CUTTING OPERATIONS 14.1.3  de corte deOPERATIONS láminas metálicas 14.1.3 Otras OTHERoperaciones SHEET-METAL-CUTTING In addition to shearing, blanking, and punching, there are several other cutting opera-

Además del cizallado, troquelado y punzonado, hay algunas otras operaciones desame corteshearing en el in pressworking. The cutting mechanism in eachare case involves thecutting Intions addition to shearing, blanking, and punching, there several other operaprensado. El mecanismo de corte en cada caso involucra las mismas operaciones de corte analiaction discussed earlier. tions in pressworking. The cutting mechanism in each case involves the same shearing zadas previamente. action discussed earlier. Cutoff and Parting Cutoff is a en shearing in which blanks Corte en trozos y partición  El corte trozos operation es una operación de corte enare queseparated las piezas from se a sheet-metal strip by cutting the opposite sides of the part in sequence, as shown Cutoff and Parting Cutoff is a shearing operation in which blanks are separated from separan de una tira de lámina metálica cortando las piezas opuestas de la parte en secuencia, co- in Figure 14.7(a). cut,Cada a new partproduce issides produced. The features a cutoff operation sheet-metal by each cutting the opposite of the part in sequence, as shown moa se muestra en strip la With figura 14.7a). corte una nueva pieza. Lasof características quein that distinguish it from a conventional shearing operation are (1) the cut edges are Figure 14.7(a). With each cut, a new part is produced. The features of a cutoff operation distinguen la operación de corte en trozos del corte convencional son que: 1) los bordes de cor-not straight, and (2)y the blanks can nested on the strip such aedges way that scrap distinguish it from a conventional shearing operation are the cuttal areque not te that nonecessarily son necesariamente rectos 2) las piezas se be pueden empalmar en(1) lain tira de manera is avoided. necessarily straight, and (2) the blanks can be nested on the strip in such a way that scrap se evite el desperdicio. Partinginvolucra involveselcutting sheet-metal strip de bymetal a punch two cutting that is La avoided. partición corte dea una tira de lámina por with un punzón con dosedges bordes match the opposite sides of the blank, as shown in Figure 14.7(b). This might be required Parting involves cutting a sheet-metal strip by a punch with two cutting edges that de corte que coinciden con los lados opuestos de la pieza, como se muestra en la figura 14.7b). because the part cuando outline hascontornos an irregular that precludes perfect ofsuthe match therequerirse opposite sides oflos the blank, asde shown in Figure 14.7(b). This might be required Esto puede la shape pieza tienen forma irregular quenesting impiden blanks on the strip. Parting is less efficient than cutoff in the sense that it results in some because the part outline has an irregular shape that precludes perfect nesting of the empalme perfecto en la tira. La partición es menos eficiente que el corte en trozos debido a que wasted material. blanks on the strip. Parting is less efficient than cutoff in the sense that it results in some produce algún material de desperdicio. wasted material.

Líneas de corte

Tira

FIGURE 14.7 (a) Cutoff Formato and (b)14.7  parting. (Credit: FIGURE 14.7 Cutoff FIGURA a)(a) Corte Fundamentals of Modern (pieza) and (b) parting. (Credit: en trozos y b) partición. Manufacturing, 4thof (Crédito: Fundamentals Fundamentals of Modern th Edition by Mikell Modern Manufacturing, Manufacturing, 4 P. 4a. ed., de Mikell P. Groover, Groover, 2010. Reprinted Edition by Mikell P. 2010. Reimpreso autowith permission of John Groover, 2010.con Reprinted rización de John Wiley & Wiley & Sons, Inc.) with permission of John Sons, WileyInc.) & Sons, Inc.)

Ambas líneas se cortan al mismo tiempo

Tira

Formato (pieza) a)

Desperdicio b)

302  CAPÍTULO 14  Conformado de láminas metálicas

Ranura

Muescado

v

Pedacería

Línea de corte en trozos

Semimuescado

a)

b)

c)

Pieza terminada

FIGURA 14.8  a) Ranurado, b) perforado múltiple, c) muescado y semimuescado. El símbolo v indica movimiento de la tira. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

Ranurado, perforado múltiple y muescado  El término ranurado se usa algunas veces para la operación de punzonado, en la cual se corta un agujero rectangular o alargado, como se muestra en la figura 14.8a). El perforado múltiple involucra la perforación simultánea de varios agujeros en una lámina de metal, como se muestra en la figura 14.8b). El patrón de agujeros tiene generalmente propósitos decorativos o para permitir el paso de luz, gases o fluidos. Para obtener el contorno deseado de una forma, se cortan frecuentemente porciones de lámina por muescado o semimuescado. El muescado es el corte de una porción del metal en un lado de la lámina o tira. El semimuescado recorta una porción del metal del interior de la lámina. Estas operaciones se describen en la figura 14.8c). Al lector le parecerá que el semimuescado es lo mismo que la operación de perforado o ranurado. La diferencia es que el metal removido por el semimuescado crea parte del contorno de la pieza, mientras que el perforado y el ranurado generan agujeros en la forma o pieza. Recorte  El recorte es una operación de corte que se realiza en una pieza ya formada para remo-

ver el exceso de metal y fijar su tamaño. El término tiene aquí el mismo significado que en forjado (sección 13.2.5). Un ejemplo típico en el conformado de láminas es el recorte de la porción superior de una copa hecha por embutido profundo para fijar la dimensión deseada.

14.2  Operaciones de doblado En el conformado de láminas metálicas el doblado se define como la deformación del metal alrededor de un eje recto, como se muestra en la figura 14.9. Durante la operación de doblado, el metal dentro del plano neutral se comprime, mientras que el metal por fuera del plano neutral se estira. Estas condiciones de deformación se pueden ver en la figura 14.9b). El metal se deforma plásticamente, así que el doblez toma una forma permanente al remover los esfuerzos que lo causaron. El doblado produce poco o ningún cambio en el espesor de la lámina metálica.

FIGURA 14.9  a) Doblado de lámina metálica, b) en el doblado ocurre elongación a la tensión y a la compresión. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

Metal estirado

w R

α

t

α′

Eje de doblez

a)

Plano del eje neutral

Eje neutral Metal comprimido

b)

14.2  Operaciones de doblado   303

v

v F Punzón

F

Punzón

Placa de presión

Matriz

Matriz 2)

1)

Fh

Fh

1)

a)

2) b)

FIGURA 14.10   Dos métodos comunes de doblado: a) doblado en V y b) doblado de bordes; 1) antes y 2) después del doblado. Símbolos: v = movimiento, F = fuerza de doblez aplicada, Fh = fuerza de sujeción. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)

14.2.1  Doblado en V y doblado de bordes Las operaciones de doblado se realizan usando como herramienta de trabajo diversos tipos de punzones y matrices. Los dos métodos de doblado más comunes y sus herramientas asociadas son el doblado en V, ejecutado con una matriz en V, y el doblado de bordes, ejecutado con una matriz deslizante. Estos métodos se ilustran en la figura 14.10. En el doblado en V, la lámina de metal se dobla entre un punzón y una matriz en forma de V. Los ángulos incluidos, que fluctúan desde los muy obtusos hasta los muy agudos, se pueden hacer con matrices en forma de V. El doblado en V se usa por lo general para operaciones de baja producción y se realizan frecuentemente en una prensa de cortina (sección 14.5.2); las correspondientes matrices en V son relativamente simples y de bajo costo. El doblado de bordes involucra una carga voladiza sobre la lámina de metal. Se usa una placa de presión que aplica una fuerza de sujeción Fh para sostener la base de la pieza contra la matriz, mientras el punzón fuerza la pieza volada para doblarla sobre el borde de una matriz. En un arreglo que se ilustra en la figura 14.10b), el doblado se limita a ángulos de 90° o menores. Se pueden diseñar matrices deslizantes más complicadas para ángulos mayores de 90°. Debido a la placa de presión, las matrices deslizantes son más complicadas y más costosas que las matrices en V y se usan generalmente para trabajos de alta producción.

14.2.2  Análisis de la ingeniería del doblado

C14

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312

11:35:20

Algunos términos importantes del doblado se identifican en la figura 14.9. El metal, cuyo espesor es igual a t, se dobla a través de un ángulo, llamado ángulo de doblado α. El resultado es una lámina de metal con un ángulo incluido α′, tal que α + α′= 180°. El radio del doblez R se espePage 312 cifica normalmente en la parte interna de la pieza, en lugar de sobre el eje neutral, y se determina por el radio de la herramienta que se usa para ejecutar la operación. El doblado se hace sobre el ancho de la pieza de trabajo w.

Tolerancia de doblado  Si el radio del doblado es pequeño respecto al espesor del material, el metal tiende a estirarse durante el doblado. Es importante poder estimar la magnitud del estirado que ocurre, de manera que la longitud de la pieza final pueda coincidir con la dimensión especiChapter 14/Sheetficada. Metalworking El problema es determinar la longitud del eje neutral antes del doblado, para tomar en cuenta el estirado de la sección doblada final. Esta longitud se llama tolerancia de doblado y se puede estimar como sigue: estimated as follows:



Ab ¼ 2p

a ðR þ K ba tÞ 360

(14.6) (14.6)

where Ab ¼ bend allowance, mm (in); a ¼ bend angle, degrees; R ¼ bend radius, mm (in); t ¼ stock thickness, mm (in); and Kba is factor to estimate stretching. The following design values are recommended for Kba [3]: if R < 2t, Kba ¼ 0.33; and if R � 2t, Kba ¼ 0.50. The values of Kba predict that stretching occurs only if bend radius is small relative to sheet thickness.

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Chapter 14/Sheet Metalworking

estimated as follows: 304  CAPÍTULO 14  Conformado de láminas metálicas

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Ab ¼ 2p

a ðR þ K ba tÞ 360

(14.6)

donde AbA= ¼ tolerancia de doblado, mm (pulg); α = ángulo de doblado enbend grados; R = mm radio(in); de where bend allowance, mm (in); a ¼ bend angle, degrees; R¼ radius, b doblado, mm (pulg); t = espesor del material, mm (pulg), y K es un factor para estimar el estiba t ¼ stock thickness, mm (in); and Kba is factor to estimate stretching. The following design rado. Losare siguientes valores de diseño se recomiendan para Kba [3]: 2t,2t, Kba =¼ 0.33, y si R if R < 2t, Kba ¼ 0.33; andsiifRR