Investigación sobre el Procesamiento de los metales y sus aleaciones (página 2)
Enviado por Gerardo minjares beltran
Aunque existe un buen número de variantes, estos tipos de reacciones son las que se usan de manera más común en la producción de metales. Las altas temperaturas favorecen esta reacción puesto que la energía requerida para la reducción del mineral decrece, mientras que la energía liberada durante la formación del CO2 se incrementa.
La reacción de reducción que se acaba de describir no siempre es factible. Algunas veces la oxidación del carbono no proporciona la suficiente energía libre. A veces la temperatura necesaria es excesivamente alta, y en algunas ocasiones el material fundido reacciona con el recipiente. La energía eléctrica ofrece una alternativa, con la condición de que el óxido pueda disolverse en un fundente. Por ejemplo, aunque los minerales que contienen aluminio han sido conocidos desde hace muchos años, la producción comercial del aluminio tuvo que esperar el desarrollo de un fundente propio que pudiese disolver el para la extracción electrolítica.
1.2 Refinación.
La mayoría de los metales, aun cuando pasan por un proceso de reducción para eliminar el oxígeno, no son lo suficientemente puros para uso comercial; deben ser refinados. Esto se ilustra con un aluminio en mineral que contiene algo de hierro, y puesto que el hierro se reduce más fácilmente que el aluminio, cualquier cantidad de hierro en el mineral aparecerá también en el metal. De manera similar, una cierta porción del silicio o del fósforo en un mineral de hierro aparece en el hierro metálico que es extraído, debido a que estos elementos son reducidos en forma parcial junto con el hierro. Por regla general, estas impurezas son indeseables; por lo tanto deben ser eliminadas.
Nuevamente, para lograr lo anterior existe una gran variedad de procesos metalúrgicos disponibles. Describiremos solamente uno de ellos, el proceso de oxígeno básico, el cual es relativamente nuevo. Supongamos que tenemos hierro en estado fundido conteniendo 2%p de silicio y 3.5%p de carbono. La composición dada es correcta si queremos usar el metal para ciertas fundiciones de hierro, pero debemos bajar los contenidos de silicio y carbono si va a ser usada en aceros de baja aleación. Invariablemente se usará oxígeno para separar selectivamente esas dos impurezas. Debe anotarse, sin embargo, que no se podrá tener una simple reversión de la reducción inicial que antes describimos, puesto que el hierro se oxidaría junto con el silicio y el carbono. En términos sencillos, usamos una escoria rica en CaO debido a que posee una gran afinidad para el SiO2 que se forma es desactivado por el CaO en la escoria. La oxidación del carbono produce CO y CO2 productos que salen del horno en forma de gases. Aunque algo de hierro puede oxidarse y disolverse en la escoria, esta pérdida puede minimizarse con un control adecuado de la temperatura y del tiempo.
1.3 Fundición.
El paso final en la producción de un metal es el solidificarlo en una lingotera, o moldearlo directamente en la forma deseada. Un lingote es simplemente una masa alargada y solidificada de metal que puede, subsecuentemente, ser deformada mecánicamente por laminado o forjado.
Una de las principales consideraciones técnicas al hacer una fundición es el hecho de que el volumen se reduce cuando el metal cambia de líquido a sólido. Con muy raras excepciones –por ejemplo el metal para "tipos", usados en las imprentas- la solidificación se ve acompañada de una contracción. Por esta razón una reserva, usualmente llamada cabeza de alimentación, debe encontrarse dispuesta en la colada de manera que alimente material fundido adicional dentro del molde mientras que ésta se enfría (solidificación). También se debe tener cuidado que los canales de alimentación no se solidifiquen y que obstruyan el flujo del metal fundido hacia las partes mayores que aún no se estén solidificando. El metalurgista puede compensar parcialmente este problema usando enfriadores, o amortiguadores de calor en las partes cercanas a las secciones más grandes de la fundición, incrementando así la velocidad de enfriamiento en esas zonas. Un sistema de fundición, para obtener resultados satisfactorios, debe ser diseñado por una persona con considerable conocimiento técnico y una amplia experiencia.
2.1 Procesos de conformado (formado mecánico).
Si bien se trata de evitar la deformación en la mayoría de las condiciones de servicio, éste es uno de los mecanismos principales para el procesamiento de los metales. De hecho, el conformado mecánico involucra una falla controlada puesto que deforma el metal en más allá de su límite elástico. El laminado, el forjado, la extrusión, el estirado y el repujado se encuentran entre los procesos de formado más comunes. La deformación mecánica produce un endurecimiento. Esta característica es importante por dos razones: primero, afecta las propiedades del producto, y, segundo, afecta el comportamiento del material durante el procesado, puesto que un material con endurecimiento por deformación requiere más energía para una deformación adicional y, debido a esto, se reduce su ductibilidad y es más propenso a la fractura.
2.2 Trabajo en frío vs trabajo en caliente.
Si se deforma un material por encima de su temperatura de recristalización, de manera casi común ocurre un recocido con la deformación. Como resultado de esto no se produce ningún endurecimiento por deformación en el proceso, recordando que la temperatura de recristalización varía de material a material y en general se encuentra entre un tercio y la mitad de la temperatura absoluta de fusión. Entonces, puesto que el cero absoluto es -273º C (-460º F) y la temperatura de recristalización del estaño por debajo de la temperatura ambiente (Tm = 232º C), la deformación del estaño a temperatura normal del ambiente debe considerarse como trabajo en caliente. Por el contrario, la temperatura de fusión del hierro es 273 + 1 539º C (460 + 2 802º F); entonces, dependiendo de la cantidad de deformación, el hierro debe calentarse aproximadamente a 500º C (930º F) para ser trabajado en caliente sin que sufra endurecimiento por deformación. El tungsteno presenta problemas especiales en el trabajo en caliente debido a que para llevar a cabo el proceso de deformación es necesario mantener la temperatura del material por encima de los 1 200º C (2 200º F) o de lo contrario resultará como consecuencia un endurecimiento por deformación.
Por lo general es posible usar el laminado, la extrusión y el forjado para fabricar productos de un tamaño considerable, sin que exista un endurecimiento por deformación que obligue a gastar demasiada energía. Más aún, las grandes masas de metal se enfrían lentamente. Juntos, estos factores favorecen el trabajo en caliente para los proceso de trabajo primario, por ejemplo, para la formación inicial del metal desde un lingote hasta planchas, barras, vigas, etc., pero el formado final (trabajos secundarios) de materiales delgados tales como lámina y alambre se realiza más comúnmente por troquelado profundo (lámina), estirado de alambre y perfilado, todas ellas son operaciones de trabajo en frió. El trabajo en frió es deseable en este punto debido a que se puede evitar la oxidación de la superficie, un control de dimensiones adecuado es posible y las propiedades finales pueden ajustarse de acuerdo a las especificaciones.
2.3 Modelos de deformación.
El modelo de deformación en una operación de laminado es bastante simple en su concepto. Los rodillos aplican comprensión en una dirección; existe un alargamiento comparable en la dirección longitudinal, en la que se está laminando, y una muy leve deformación en la tercera dimensión. La deformación en el estirado de alambre o en la extrusión es sólo ligeramente menos sencilla en su concepto. Aquí existe una comprensión radial y un alargamiento parcial, el cual es igual a la reducción del área transversal.
Los detalles de deformación en estos procesos de laminado y estirado son más complejos que las descripciones anteriores debido a que los granos se deforman de manera uniforme. Aquellos granos que están orientados de manera favorable están sujetos a una deformación extensa. Otros se deforman mucho menos; más aún, todas las deformaciones se deben adaptar entre sí para mantener la continuidad en los granos.
Las deformaciones en otros procesos comerciales poseen más variaciones de las que hemos mencionado. Los valores de la deformación pueden variar desde cero hasta niveles que son varias veces el promedio. Esto introduce variaciones significantes en las propiedades resultantes del producto terminado, como pueden ser: concentraciones de dureza, fragilidad local y diferencias en la susceptibilidad a la corrosión.
Procesos de Arranque de Material
El maquinado es el proceso de arranque de material más ampliamente usado. Puede realizarse en un torno, en un cepillo, en una fresadora, taladrando, o con muchas otras variaciones. Este proceso es una combinación de corte y deformación mecánica.
El ingeniero prefiere una viruta que se rompa. Esto significa que a menudo es deseable especificar algo de trabajo en frío antes del maquinado, para reducir la ductilidad del metal. También significa que ciertas fases que se encuentran como impurezas pueden juntarse al acero para formar fácilmente la viruta y fabricar de esta manera un acero fácil de manejar.
Estas virutas además hacen que exista una menor fricción y por esto un calentamiento menor en la punta de la herramienta. Esto es importante puesto que un calentamiento excesivo reduce la dureza de la herramienta, lo que nos lleva a un embotamiento mas rápido y a causa de eso a una mayor fricción y calor producidos, llevando a una falla grande.
Figura No. 1 Maquinaria
3.1 Herramientas de corte.
Los aceros de alto carbono pueden hacerse muy duros con un templado y un revenido. Esta es la razón por la cual son usados para herramientas. A elevadas temperaturas los carburos crecen, en el desarrollo del proceso, el acero se suaviza notablemente hasta que toma las propiedades de una esferoidita, una micro estructura que no es deseable en esta caso. De cualquier manera es posible reducir el crecimiento de los carburos y el proceso de suavización de manera considerables introduciendo en los aceros estabilizadores de carburos (Cr, W, Mo y V). Si las partículas de carburo que contienes estos elementos van a crecer, no solo los átomos pequeños de carbono, sino los mas grandes que acabamos de mencionar deben difundirse a través de la matriz ferrítica una mayor temperatura.
Figura No. 2 Herramientas
Procesamientos Térmicos: Procesos de recocido
El término recocido es usado para lograr una tanto una suavización como un aumento de tenacidad. Esta palabra puede tener un significado especial cuando nos referimos a un tratamiento térmico en un acero. El recocido es un calentamiento a una temperatura tal que los átomos individuales obtienen una mayor libertad de movimiento y son capaces de reordenarse en una estructura con menor energía.
4.1 Eliminación de esfuerzos.
El proceso de recocido más simple implica una eliminación de esfuerzos. Un enfriamiento no uniforme a menudo produce esfuerzos residuales debido a que parte del metal aún se encuentra contrayéndose después de que el resto se ha solidificado totalmente. Es entonces cuando una parte del material queda con esfuerzos de tensión y otra con esfuerzos de comprensión; los esfuerzos de tensión estarían desbalanceados y podría resultar alguna distorsión.
Figura No. 3
4.2 Recocido Completo.
Los ingenieros quieren que los aceros sean más blandos antes de maquinarlos para que manejarlos sea más fácil. El procedimiento consiste en calentar el acero a unos 50º F, seguido de un enfriamiento, dejando el acero sometido en un enfriamiento a la misma velocidad que se enfría en el horno. El margen de los 50º F es necesario para asegurar la formación de austenita* en los centros de las secciones más gruesas. Al mismo tiempo este margen es generalmente suficiente debido a que en el recocido completo, contrario a lo que ocurre en el normalizado, sólo es necesario formar austenita.
4.3 Recocido en el proceso.
En algunos aceros, es deseable suavizar el metal pero sin que se forme ausentita de nuevo.
Esto debe realizarse a temperaturas justo por debajo de las temperaturas justo por debajo de la temperatura eutectiode*. Puesto que sólo queremos quitar el trabajo en frío y no se requiere una mayor difusión de átomos, el tiempo en el cual se lleva a cabo este tratamiento térmico es breve.
4.4 Esferoidización.
Este proceso es realizado por un extenso recocido en la parte más alta del intervalo de temperatura, de manera que el carburo estratificado pasa a carburo esferoidal*, forma en la cual tendrá menor área de límite de fase. De este modo se obtendrá una microestructura, a partir de perlita después de 12 a 15 horas, justo por debajo de la temperatura eutectiode, es decir unos 1275º F.
4.5 Procesos de Precipitación.
Las aleaciones de metales ligeros pueden aumentar su resistencia por medio de un endurecimiento por precipitación (endurecimiento por envejecimiento, o endurecimiento acelerado).
Se pueden considerar varios procedimientos de enfriamiento y recalentamiento. Un recocido o un enfriamiento lento partiendo del tratamiento por solución, nos proporciona un material que es blando, débil y no dúctil.
Un enfriamiento rápido nos da una aleación más resistente, que también es muy dúctil. Este material resulta muy importante para el ingeniero puesto que tiene las ventajas que le dan las resistencia y la ductilidad en forma conjunta.
Un enfriamiento rápido, seguido por un recalentamiento a una temperatura intermedia, duplica la resistencia de la aleación. Un recalentamiento prolongado de la aleación la ablanda y revela la apariencia de las partículas, que continúan creciendo con el tiempo. Esto se denomina sobre envejecimiento, la máxima resistencia es mayor con temperaturas de envejecimiento bajas. En este proceso el ingeniero debe escoger entre tener costos mayores de procesamiento por tratamientos térmicos más prolongados.
Sin embargo, se presentan 2 problemas. Primero, se requiere una máquina de alta potencia para lograr trabajar en frío un metal endurecido por precipitación, el cual tiene casi 175000lb/plg2 de resistencia a la tensión. Mucho menos energía y potencia se requeriría para trabajar en frío una aleación tratada por solución (72000 lb/plg2). El segundo problema es la aleación previamente endurecida por curado ha perdido una ductilidad considerable, de manera que pueden formarse grietas durante el trabajo en frío.
Siempre que se van a unir dos superficies metálicas de cualquier tipo se nos presenta un gran problema en lo que a procesamiento de metales se refiere. La soldadura naturalmente está para consideraciones especiales en los metales escogidos, debido a que en el proceso de soldado se presentan tanto la fusión como la solidificación en el remachado, las propiedades metálicas también son importantes. Los remaches de aceros se introducen, generalmente, cuando aún están calientes. Evitando el endurecimiento por deformación, el remache se conforma a los contornos del agujero, de manera que resulta una unión ajustada. Adicionalmente, la contracción térmica del remache comprime los miembros estructurales aún más fuertemente. De esta manera los remaches, obtienen una considerable resistencia cuando se enfrían. Sin embargo, es necesario prevenir la formación de martensita en ese corto periodo en que se enfrían., debido a que en una estructura muy grande sería imposible revenir los remaches. En general los remaches de acero están fabricados de acero de bajo contenido de carbono, para que se transformen rápidamente en [? + C].
Los remaches de aluminio, de manera similar a los de acero, deben ser tan blandos como sea posible con el propósito de que se conformen a las dimensiones exactas de los agujeros en los cuales van a ponerse. Los remaches de aluminio no se insertan calientes; en lugar de esto, se tratan por solución, careciendo de endurecimiento por deformación o por envejecimiento. Comúnmente, los ingenieros escogen el aluminio endurecido por envejecimiento en sus diferentes aleaciones, las que se endurecen a temperaturas normales pero que no envejecen demasiado en periodos razonables. Así, un remache de aluminio obtiene resistencia durante su uso. Sin embargo, el almacenarlos antes de estar listos para usarlos, presenta un problema. Para prevenir el endurecimiento prematuro después de un tratamiento por solución debe refrigerarse el aluminio endurecible por envejecimiento de manera que el proceso de precipitación sea contrarrestado, antes de su uso.
5.1 Soldadura.
Al soldar el acero, encontramos 3 efectos térmicos:
a) Solidificación del metal soldado
b) Austerización del metal inmediatamente adyacente
c) Esfuerzos residuales debido a los severos gradientes de temperatura. Si tratamos de soldar un acero tratado térmicamente habrá un sobre revenido de la zona que se calienta, cerca de la temperatura eutectoide (~ 1 300º F ó 700º C).
El metal soldado generalmente se enfría de manera rápida y en los aceros de baja aleación, con grano fino, puede formar martensita. Esto podría ser indeseable puesto que muchas estructuras soldadas no pueden ser revenidas fácilmente a causa de su tamaño. Sin embargo, se tiene una alternativa: el metal soldado puede ser depositado en varias pasadas, de manera que las últimas pasadas hagan un revenido a la martensita formada inicialmente.
En la mayoría de las soldaduras es necesario efectuar una eliminación de esfuerzos. Para hacerlo, generalmente se recalienta la zona soldada por medio de un soplete o algún procedimiento similar, haciendo que el enfriamiento de la zona soldada ocurra de una manera más lenta.
5.2 Soldadura de bronce y soldadura de estaño.
Estos dos procesos de unión se diferencian en la temperatura de fusión del metal utilizado para la unión (tabla abajo). Por otro lado, se asemejan en el hecho de que el metal adyacente no se licúa y en que la unión ocurre cuando el producto del es bañado por la aleación que va a realizar la unión. El contacto del material para soldar con las superficies que se van a unir depende de la capilaridad que se genera. De lo anterior podemos ver que es necesario que las superficies en contacto estén perfectamente limpias y se les haya realizado un buen maquinado. Aunque el metal base no se funde (excepto posiblemente de manera superficial), una buena unión depende del desarrollo de fase y de los límites de grano a través de la unión, de manera similar a aquellos encontrados en el interior de cualquier aleación.
Las soldaduras de estaño están constituidas generalmente por aleaciones de plomo y estaño, pero también es común que se utilicen otros metales con bajo punto de fusión, para incrementar la resistencia o la adhesión con bajo punto de fisión, para incrementar la resistencia o la adhesión a la soldadura. La tabla muestra una lista de soldaduras típicas. El metal de relleno para la soldadura de bronce puede ser metal puro (cobre o plata) o aleaciones de cobre, tales como el latón y diversos bronces.
La sinterización es un proceso térmico que ha sido utilizado a través de la historia para elaborar productos cerámicos partiendo de arcillas y/u otras partículas sólidas. En los últimos años, esta técnica ha sido utilizada cada vez en mayor escala en metalurgia, de manera que hoy día los productos fabricados por (metalurgia de polvos) se constituyen en una fracción importante del diseño de productos.
En principio, los productos realizados bajo este proceso se obtienen compactando polvos metálicos en el interior de un molde. Los metales dúctiles se deforman en los puntos de contacto; sin embargo, es imposible obtener una densidad completa, es decir, remover toda porosidad existente, por medio de este procedimiento. La compresión o compactación es seguida por el sintetizado, el cual provoca que se unan las partículas de polvo y se genere una mayor densidad reduciendo la porosidad. A este nivel el Ingeniero puede beneficiarse de varias opciones. Si se está diseñando un producto tal como podría ser un filtro (por ejemplo, en la tubería de alimentación de gasolina de un automóvil) o bien anillos "autolubricados" (los cuales mantienen el aceite dentro de sus porosidades), puede especificarse alguna porosidad. De manera alternativa y opuestamente a lo anterior, puede requerirse una porosidad cercana a cero cuando la resistencia es un factor importante (un material con una porosidad cero requiere temperaturas más altas para su compactación o densificación).
El proceso de sinterización de metales debe realizarse en una atmósfera carente de oxigeno. Cualquier cantidad de oxigeno presente reaccionaría con el metal impidiendo la unión de la partículas. Generalmente se utiliza una atmósfera de hidrogeno. La temperatura de sinterización está normalmente cerca del punto de fusión del metal. Esto acelera la difusión requerida.
Un reciente desarrollo de importancia involucra el uso de metalurgia de polvo seguida de un prensado en caliente. Se compacta el metal en polvo, seguido de un calentamiento para iniciar la sinterización. La preforma se comprime entonces en un molde cerrado, proveyéndose así la densidad completa. La ventaja de este procedimiento es doble: primero, que casi el 100% del metal se aprovecha en el producto, segundo, la composición puede ser mas uniforme en todas las partes, tanto que es posible compararlo con una fundición.
Se aprendieron diferentes procesos para poder ablandar, endurecer y hacer más resistentes distintos tipos de aceros, con el fin de lograr que los próximos Ingenieros en Materiales y/o Metalurgia conozcan las operaciones principales para el procesamiento de estos materiales y que les sea más productivo, ayudando a tener una menor inversión y mayor número de aprovechamiento de los mismos.
Durante la investigación tuvimos la oportunidad de conocer más a fondo en el campo de los materiales,
Es impresionante la manera en la que han evolucionado los materiales y lo importante que es conocer sus propiedades a nivel atómico ya que de esto depende en buena parte el comprender como habrá de comportarse un material en ciertas condiciones y de esa manera observar algunas características como su dureza o su resistencia a algunos esfuerzos.
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Tecnología de los Materiales, Van Black, Lawrence H., Ed. Alfa-Omega
Autor:
Gerardo Efrén Minjares Beltrán.
Kevin Alexis Rubio Barrón.
M.C Elvia Lozano
Fecha de entrega: 6 de diciembre de 2010
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