Tema 6: Fabricación por deformación plástica

Forja

Se entiende por forja la deformación por compresión de un material colocado entre matrices. Estas a menudo son componentes de prensas de gran tamaño capaces de ejercer una presión enorme y pueden obtenerse piezas tan complejas como las alas de un avión.

Ciclo térmico de la forja

La conformación por forja se realiza en 3 fases:

- Calentamiento

Se debe realizar teniendo en cuenta que el metal, cuando empiece el proceso de deformación, debe encontrarse a la máxima temperatura posible, pero sin alcanzar el punto de fusión del constituyente que lo tengo más abajo.

También hay que considerar que durante la deformación, se comunica energía mecánica a la pieza como consecuencia del choque del martillo o la presión de la prensa y parte de esta energía se transformará en calor. La forja en caliente requiere el mínimo de energía en el forjado y produce la máxima deformación, pero al forjar cuesta controlar las dimensiones del producto ya que el metal no se contrae uniformemente cuando se enfría, de ahí que la forja se realice a menudo a temperatura ambiente aunque la deformabilidad del metal sea algo menor que en caliente.

- Deformación

La deformación producida en la forja se debe a esfuerzos de compresión. Esta fuerza necesaria para la deformación se denomina carga de forja y se deduce para un metal particular de la compresión de probetas cilíndricas entre matrices planas y paralelas bien lubricadas. La deformabilidad también depende del tamaño de los granos. Un tamaño de grano grande es difícil de forjar. En una operación de forja real, la carga y la presión de forja dependen marcadamente de la fricción entre las matrices y la pieza de trabajo, así como del límite de fluencia del metal de la pieza. Bajo condiciones de lubricación perfectas, la presión requerida para forjar una muestra cilíndrica es uniforme e igual al límite de fluencia del material.

- Enfriamiento

Se produce constantemente desde que sale la pieza del horno para ser forjada. Este enfriamiento no puede ser brusco para evitar grietas por contracciones rápidas. Influye considerablemente el tamaño de la pieza, ya que las piezas grandes se agrietan con más facilidad que las pequeñas a causa de las tensiones que se originan por la desigualdad de enfriamiento entre la periferia y el núcleo. Una vez terminada la forja, el enfriamiento puede hacerse al aire, pero si el material es delicado como sucede en muchos tipos de aceros, hay que dejar enfriar la pieza en el mismo horno o en un lugar de cenizas para evitar las pérdidas bruscas de calor.

Forja mecánica

En la actualidad se realiza la forja mecánica que utiliza fuerza motriz de tipo hidráulico, neumático o eléctrico. Esto permite el trabajo de grandes piezas o grandes series de piezas aplicando esfuerzos violentos y bruscos con los martinetes o continuos con las prensas. La utilización de prensa o martillo depende principalmente del peso de la pieza a forjar y de su sección. Se utiliza el martillo para piezas de hasta 5000 kg y las prensas desde este valor hasta las 100 toneladas.

Estampación, recalcado y extrusión.

Todas estas operaciones son forjas del tipo que indican siempre que se hagan en caliente. Cuando solo se dice estampación, el proceso se realiza en frío, por ejemplo, navajas.

Tienen en común que se produce fluencia de partículas de material sin perder su cohesión y se obtiene una pieza sólida con una forma determinada. En la estampación se somete al material a esfuerzos de compresión, sin dirección determinada para que fluya entre las 2 partes del molde, llamadas matriz y estampa. Se usan mucho para fabricar piezas en serie como pueden ser esferas de acero, ejes, discos de cigüeñales, engranajes, cuchillos, etc. El recalcado se utiliza cuando se desea producir acumulación del material en una zona limitada de un producto semielaborado. Para ello se comprime este, generalmente en forma de barra, de modo que el metal fluye en la matriz hasta llenarla en la parte que se desea recalcar. Las piezas obtenidas más típicas son cabezas de tornillos, planchas de blindaje, llantas para ruedas, bulones, remaches, clavos, etc. En la extrusión se impulsa el metal comprimiéndolo para que fluya a través del orificio de una matriz. La aplicación más directa son cartuchos para balas, piezas huecas, perfiles, tubos, etc.

Estampación

El ciclo de trabajo de este proceso se realiza en cortas etapas a partir de un producto semielaborado, con el que se obtiene una preforma según sea la forma definitiva de la pieza a fabricar. Las medidas alcanzables en este proceso abarcan amplios límites, desde 10 gramos de peso y 10 mm de longitud hasta 2000 kg y 3,5 m. Utilizando aluminio se forjan piezas de hasta 10 m de longitud, como son las cabezas de las alas de los aviones.

Las estampas están formadas por 2 partes:

La superior, que se sujeta al pilón del martillo o a la maza de la prensa.
La inferior, que se fija a la cavota o yunque.

Recalcado

Consiste en una acumulación o condensación de material en una zona limitada de un producto acabado, generalmente en forma de plancha, barra redonda o perfil poligonal. Como se realiza por compresión axial, se produce simultáneamente un acortamiento. Puede realizarse en frío o en caliente, siendo la primera la forma más usada. La acritud que adquiere el metal y la orientación de la fibra permite obtener una mayor seguridad frente al cizallamiento que en otros procesos de maquinado. Los materiales más idóneos para este proceso son los aceros pobres en carbono, así como el cobre, aluminio y sus aleaciones. Incluso se pueden utilizar aceros aleados.

Extrusión

Es un proceso realizable en caliente y en frío y en el que mediante un embolo o punzón se presiona el material para que fluya a través del orificio de una matriz, la cual da su forma a la pieza.

Como en los anteriores procesos, su aplicación presupone la fabricación de un gran número de piezas. El calor, al facilitar la fluencia y rebajar, por tanto, las presiones de conformación, se utiliza en algunos casos y se llega a sobrepasar la temperatura de recristalización. En principio se pueden extruir todos los metales y aleaciones siempre que posean buena capacidad de deformación y presenten al conformarlos un bajo grado de acritud. Deben tener un límite elástico bajo, un gran alargamiento y poca dureza. Las principales aplicaciones de la extrusión en frío son la fabricación de pequeños recipientes de paredes flexibles para pasta de dientes, cremas, pegamentos, etc., así como vainas para piezas cilíndricas, condensadores, etc. Las producciones que se alcanzan son muy elevadas y pueden llegar a ser del orden de 3000 piezas por hora. La extrusión en caliente se emplea para la obtención de una gran variedad de perfiles y piezas, cada día más, debido a la sencillez de la operación, a la rapidez y al bajo coste cuando se trata de series de piezas discretas y a las excelentes características del material extruido similares a las obtenidas por forja. Se pueden obtener todo tipo de perfiles como angulares, en T, dobles T, tubos redondos, irregulares, con aletas, con nervios, molduras de cualquier forma, etc. Cuando la velocidad con la que se ejerce la presión es muy grande se tiene la extrusión por impacto, utilizada para fabricar objetos huecos de paredes finas y como se requieren grandes presiones y velocidad, este procedimiento solo se emplea con metales blandos como plomo, estaño, aluminio y grandes lotes de piezas. El método de Ooker también es extrusión por impacto, pero para ello se emplean metales más duros. Se coloca el metal ya preconformado en forma de copa en el contenedor y el punzón de diámetro igual al interior de la copa incide sobre esta obligando al material a fluir en el mismo sentido. El revestimiento de plomo que llevan los cables de conducción eléctrica para uso bajo el agua o subterráneo se realiza extruyendo plomo alrededor del cable aislado.

Laminación

Es un proceso de conformación plástica en el que el material fluye de modo continuo en una dirección preferente mediante fuerzas de compresión ejercidas al pasar el metal entre 2 cilindros. Bajo la acción de las fuerzas de compresión, el metal a laminar experimenta a través del continuo proceso de recalado un alargamiento en sentido longitudinal, así como un ensanchamiento y con ello una disminución de sección. Se puede realizar en caliente o en frío, siendo la frontera de temperatura de recristalización. En la laminación en caliente, el material de partida son lingotes fundidos de sección cuadrangular, rectangular y oval. Los lingotes en bruto son laminados para acer semiproductos terminados como pueden ser la palanquilla o la pletina, o productos terminados como perfiles o carriles. La temperatura a la que se trabaja es la de forja, por tanto, la deformación no produce acritud y se pueden obtener grandes reducciones de espesor. Los granos cristalinos sufren una deformación y como durante el paso entre 2 cilindros el material recristaliza, al salir de ellos el grano es menor. La fluidez del material por la gran presión crea una estructura fibrosa, eliminando así las sopladuras y las faltas de homogeneidad con la consiguiente mejora de las características mecánicas. Uno de los inconvenientes es la oxidación superficial que se produce y la inevitable formación de cascarilla, la cual impide operar con pequeñas tolerancias.

Laminación en frío

Se aplica en aquellos casos en que han de producirse las deformaciones en un pequeño campo de tolerancia y cuando se desean obtener en el material las características propias de estos tratamientos en frío, así como conseguir un acabado superficial más fino. Al ser un tratamiento en frío, siempre se produce acritud, con el aumento consiguiente de la resistencia a tracción, rigidez, dureza, a la vez que una disminución de la ductilidad y la tenacidad.

Laminadores

Prácticamente se puede afirmar que todos los metales utilizados en la industria han sufrido la laminación en alguna etapa de su conformado y como el proceso da lugar a productos muy distintos en forma y tamaño, también es muy distinta la maquinaria empleada. El producto de partida es el lingote, que en una primera laminación se transforma en desbaste. Una segunda en producto semielaborado y una laminación final en producto acabado. Todos los procesos de laminación se realizan en una unidad elemental o en un tren de laminación, formado por n pares de rodillos, que pueden realizar su función, que es girar, presionar y modificar la distancia entre sus ejes. A este conjunto se le llama caja. Como el equipo a emplear depende del tamaño, forma y reducción del producto final, estos factores serán los que determinen la unidad de laminación más conveniente. Generalmente se reproduce un gran aumento de longitud a costa de las reducciones considerables de sección, por lo tanto, el laminado deberá pasar por varias unidades consecutivas y más de una vez por cada unidad. De otro modo, a causa de las aceleraciones, las velocidades finales serían muy altas y la permanencia entre cilindros breve.

Estirado y trefilado

Son 2 procedimientos de conformación de los materiales dúctiles que se realizan estirándolos a través de orificios calibrados denominados hileras.

En estos procesos tiene lugar un desplazamiento permanente de material, producido por fuerzas deformadoras de tracción principalmente, con el consiguiente alargamiento del material.

Se opera como fase intermedia o como acabado, con perfiles laminados o extruidos y generalmente en frío.

Ambos procesos se reducen en realidad a uno solo, ya que su fenomenología es la misma y es el estirado. La diferencia estriba en el fin perseguido y por tanto en su tecnología.

En el estirado se pretende sobre todo efectuar reducciones de sección para conseguir formas o calibres determinados. En el trefilado, el interés se centra en la reducción de sección, por eso el trefilado requiere más pasadas que el estirado.

Los materiales deberán ser dúctiles y de una resistencia perfectamente conocida, para saber en cada momento el máximo esfuerzo aplicable sin que surja la rotura. Los metales más idóneos son los aceros, latones, cobre, aluminio, magnesio y sus aleaciones.

Estampación en frío de la chapa

Es uno de los procesos que ha adquirido un gran auge en los últimos tiempos debido a la economía cuando se producen grandes series, la uniformidad de las características mecánicas y al excelente acabado superficial de las piezas.

Las condiciones que deben cumplir los metales y aleaciones para la estampación en frío son:

Deben ser de superficie lo más perfecta posible.
El espesor debe ser uniforme en toda la chapa.
Las características del material deben ser también uniformes.
Se obtendrán mejores resultados cuanto más maleables sean.

Los materiales más utilizados son la chapa de acero dulce, la de aluminio y sus aleaciones, y la chapa de latón. Las aplicaciones básicas son la industria carrocera de automóviles y la fabricación de electrodomésticos.

Tema 7: Soldadura

La soldadura se puede definir como un proceso de unión fija o permanente entre metales en el que la adherencia se produce con aporte de calor a una temperatura adecuada con aplicación de presión o sin ella y con adición de metal o aleación fundida o sin ella.

Considerada metalúrgicamente, es un proceso complejo que se produce cuando la distancia entre los átomos de las superficies que se unen es tal que entre ellos se pueden desarrollar fuerzas interatómicas que originan la adherencia. Las más usuales son:

Soldaduras heterogéneas: son aquellas que se efectúan entre metales de distinta naturaleza, con o sin metal de aportación. Las más usuales son las soldaduras blanda y la soldadura fuerte que a su vez puede ser amarilla o a la plata.
Soldaduras homogéneas: son las que tanto los materiales que se sueldan como el metal de aportación son de la misma naturaleza. Si la soldadura se efectúa sin metal de aportación se denomina autógena. Las más usuales son por forja, aluminotérmica, por fusión con gas, ultrasónica, por frotamiento, eléctrica y dentro de estas por arco y por resistencia.

Soldadura blanda:

Se realiza uniendo las piezas a soldar, que pueden ser de igual o distintos metales, por una aleación metálica de bajo punto de fusión siempre menor de 500ºC. Es muy fácil de realizar pero tiene los siguientes inconvenientes:

Su resistencia mecánica es ligeramente inferior a la de los metales soldados.
La presencia de metales de distinto potencial galvánico juntamente con la humedad puede dar lugar a pilas de corrosión que producen una coloración oscura en la zona de soldadura y a la larga la destruyen.
La resistencia mecánica es del orden de 10 a 15 kg/mm3.
Sólo es aconsejable su utilización en piezas de alguna consideración cuando vayan a permanecer perfectamente secas. También se utilizan para asegurar una buena estanqueidad en recipientes que han de contener líquidos o gases no agresivos a presión ordinaria.
También se utiliza bastante para establecer los contactos en las conexiones eléctricas. Se emplea fundamentalmente para soldar piezas de zinc, estaño, hojalata, cobre y sus aleaciones y aluminio. La aleación que más se ha utilizado es la formada por estaño y plomo.

Soldadura fuerte o dura:

Es la que utiliza como metales de aportación aleaciones de punto de fusión superior a 500ºC pero siempre inferior a la de los metales que se une. En ningún momento debe producirse la fusión de uno de ellos en el curso de la soldadura.

Según el metal de aportación se distingue la soldadura fuerte, amarilla, que se realiza a temperaturas entre 650 y 950ºC y utiliza como metal de aportación el latón. Se utiliza para soldar hierro, cobre y sus aleaciones y en general para metales y aleaciones de temperatura de fusión superior a 700ºC.

Se suele alcanzar una resistencia a tracción del orden de 25 a 35 kg/mm2. La soldadura fuerte con plata, que se diferencia de la amarilla, además del metal de aportación, en la técnica de la operación que es completamente diferente. En la soldadura amarilla podía haber holgura entre las superficies a soldar, pero en esta conviene que ajuste lo máximo posible pues la máxima resistencia se obtiene cuando la holgura oscila entre 0,03 y 0,05 mm para que la aleación de plata penetre por acción capilar. La aleación empleada tiene como base la plata con cobre, zinc y cadmio. La aplicación más extendida es la soldadura de plaquitas de metal duro como la vidia a los mangos de las herramientas.

Soldadura por forja:

Es el procedimiento tradicional utilizado por los herreros. Consiste en calentar las piezas a unir en una fragua hasta una temperatura próxima a la de fusión y así conseguir una plasticidad adecuada y a continuación se forjan juntas. Es preciso que las superficies que se vayan a unir estén totalmente limpias y que el contacto entre ellas sea lo más perfecto posible. Se aplica por lo general a aceros de bajo contenido en carbono y la temperatura de calentamiento es del orden de 1.300ºC.

Soldadura aluminotérmica:

Llamada también «con termita». Esta soldadura aprovecha como metal de aportación y agente calorífico para la unión el hierro líquido sobrecalentado que se obtiene de la reacción fuertemente exotérmica entre el aluminio y el óxido de hierro finamente divididos. Como fuente de energía se utiliza la termita, que es una mezcla de aluminio y óxido de hierro en proporción a la que se puede añadir ferroaleaciones. La reacción tiene lugar a una temperatura aproximada de 3000ºC, suficiente para fundir el hierro que actúa como metal de aportación.

Sus aplicaciones principales son la soldadura de secciones muy gruesas sin necesidad de desmontarlas, como los raíles de ferrocarril, árboles de transmisión, bastidores de locomotoras, lanchas, etc. También se utiliza mucho en la soldadura de conductores eléctricos en las tomas de tierra.

Su ventaja principal sobre otros procedimientos es que se obtiene la soldadura en toda la sección simultáneamente en lugar de obtenerse en capas sucesivas.

Soldadura por puntos ultrasónicos:

Se realiza sometiendo dos chapas puestas en contacto a presión entre dos _____________ a una vibración ultrasónica que le transmiten estos y que provoca un gripado (romper algo por someterlo a mucha fricción, tanta como para que el metal pase a un estado pastoso) por fricción energética de los cristales de las capas puestas en contacto y que acaba por soldarlos perfectamente.

Soldadura oxiacetilénica o por fusión con gas:

En este proceso, el calor necesario para la fusión de los bordes de las piezas que se van a unir y el metal de aportación procede de la combinación de un gas (acetileno, metano, etano, propano, butano) con el oxígeno en la boquilla de la tobera de un mechero de soldar denominado soplete y cuyo diámetro será tanto mayor cuanto mayor sea el espesor y la conductividad calorífica de las piezas a unir. La combustión del acetileno con el O₂ da lugar a una llama que suministra las máximas temperaturas que se pueden conseguir con este procedimiento, del orden de 3500ºC. Es la más adecuada para soldar piezas de pequeño espesor y sus aplicaciones están limitadas por la menor temperatura que suministra la llama en comparación con el arco eléctrico, por lo que para soldar piezas de gran espesor hay que precalentar previamente las zonas a cortar.

Oxicorte:

Es un procedimiento de corte de metales por la combustión localizada y continua de las mismas con un chorro de oxígeno. Es una aplicación del soplete oxiacetilénico, aunque también se puede hacer con el arco eléctrico para fundir el metal y un chorro de aire u oxígeno a presión para desalojar el metal fundido. El procedimiento de oxidación con soplete se basa en calentar previamente el metal al rojo y hacerle arder con un chorro de O₂ a presión. El equipo consta de los mismos elementos que la soldadura oxiacetilénica y el soplete difiere en que se le ha adicionado un conducto para el oxígeno del corte. Se utiliza mucho en desguaces y trabajos bajo el agua. En este caso, la presión de salida de los gases ha de ser tanto mayor cuanto mayor sea la profundidad de trabajo.

Soldadura por arco:

Es el procedimiento más extendido para unir piezas metálicas. En él se aprovecha el calor concentrado del arco eléctrico para obtener soldaduras por fusión con o sin metal de aportación.

Las condiciones y modalidades del funcionamiento del arco dependen de la naturaleza de los electrodos y de los gases interpuestos en el arco.

La energía que produce el arco se distribuye un 63% en el ánodo, 36% cátodo y el resto a la columna de gases, de esto deducimos que el calor que se emplea en calentar y fundir el metal es del 60% y el resto se disipa en el ambiente. Para iniciar el arco o cebado se establece un contacto entre el electrodo y la pieza, esto origina un cortocircuito que crea una elevada intensidad de corriente, la cual, por efecto Joule, pone incandescentes tanto al extremo del electrodo como la zona de contacto de la pieza. En estas condiciones se ioniza el gas que está en las proximidades del contacto y si se separa ____________ el electrodo de la pieza la corriente continúa pasando a través del gas ionizado y origina el arco luminoso o llama de soldar. Cuando se produce el arco, la energía calorífica que desprende hace que se funda tanto al extremo del electrodo como la zona de metal de la pieza situada en frente y ambas se mezclan íntimamente. La penetración del arco se mide por el espesor del metal que se ha fundido debajo del electrodo. Conforme va consumiéndose el electrodo, debe ir acercándose a la pieza para mantener constante la longitud del arco, pues si se hace demasiado grande el arco se apaga. La estabilidad de un arco será tanto mayor cuanto más pueda variarse esta distancia sin que se apague. Normalmente el arco de corriente continua es más estable que el de alterna.

Soldadura por arco en atmósfera inerte:

Este proceso se basa en aislar el arco y el metal fundido del aire mediante un gas inerte. Con este fin se emplean los gases nobles, el hidrógeno y el anhídrido carbónico. Los procedimientos más usuales son:

Soldadura por arco protegido con gas inerte y electrodo refractario (TIG): Es la más usual para soldar acero inoxidable. El arco se hace saltar en una atmósfera neutra de helio o argón entre la pieza y un electrodo de wolframio. El metal de aportación lo suministra una varilla de soldar sin recubrimiento y de composición similar a la de las piezas que se van a unir.

Soldadura con arco de hidrógeno atómico: El calentamiento se consigue haciendo saltar el arco entre dos electrodos de wolframio en una atmósfera de hidrógeno.

Soldadura por arco protegido con gas inerte y electrodo consumible (MIG): En este procedimiento se reemplaza el electrodo de wolframio por un alambre desnudo de metal de aportación de composición similar a las piezas que se van a unir haciéndosele llegar automáticamente al portaelectrodos con una velocidad igual a la que se consume en el arco y en una atmósfera de helio o argón.

Soldadura por arco en atmósfera de anhídrido carbónico (MAG): Es una variante de la anterior en la que se sustituye el helio o el argón por CO₂ seco de una pureza del 99% porque es mucho más barato.

Soldadura con calentamiento por resistencia eléctrica:

Están basadas en el efecto Joule y agrupan aquellos procedimientos de soldadura en los que el calentamiento se produce al pasar una corriente eléctrica a través de las piezas que oponen una resistencia de contacto. Se emplea con éxito en piezas de pequeño espesor.

Soldadura por puntos: Las piezas que se van a unir se colocan superpuestas entre dos electrodos que las comprimen y dejan pasar una corriente eléctrica de elevada intensidad y bajo voltaje. Debajo de los electrodos, entre las dos piezas, se desarrolla la máxima cantidad de calor por resistencia obteniéndose un punto de soldadura en forma de lenteja. La distancia entre puntos debe ser superior a un determinado valor que ha de ser tanto mayor cuanto mayor sea la conductividad de los metales que se van a soldar, pues de otro modo, la corriente establecería el circuito por la soldadura hecha con anterioridad. Se usa básicamente en la industria del automóvil, en la aeronáutica y en los electrodomésticos.

Soldadura por costura: Es una variante de la soldadura por puntos y éstos se forman sin solución de continuidad dando lugar a una costura continua y estanca. Los electrodos son ahora rodillos giratorios que conducen la corriente hasta las piezas ejerciendo presión sobre ellas. Se emplea para soldar depósitos estancos de paredes delgadas para aceite, gasolina, agua, etc. También se utiliza para hacer tubos, cubos, guardabarros, etc.

Metalurgia de la soldadura:

Las soldaduras son procesos metalúrgicos complejos que afectan a las características de las piezas soldadas, ya que requieren un calentamiento que puede producir alteraciones en las microestructuras semejantes a las obtenidas en el tratamiento térmico. Además, el metal que funde en el cordón de soldadura está sujeto a los mismos principios de fusión y solidificación, por lo que se pueden producir defectos como absorción de gases que originen sopladuras, reacciones con los gases de la atmósfera y formación de gases perjudiciales, segregación de los componentes, inclusión de escorias y tensiones internas que pueden originar grietas y deformaciones.

Soldabilidad de los metales:

El concepto de soldabilidad se emplea normalmente para indicar la mayor o menor aptitud de un metal para soldarse con una determinada aleación bajo ciertas condiciones. En realidad, lo que nos interesa es conocer las precauciones que hay que tomar para obtener un cordón de soldadura exento de defectos y con las características mecánicas necesarias.