Alternativas de Obtención de

Productos

Materiales Metálicos Materiales Cerámicos Materiales PoliméricosMateriales Compuestos

MC2 - Productos 1

Materias PrimasMaterias Primas

FusiónFusiónCastingCasting

Gravedad - Presión

MoldeoMoldeoPolímeros VidrioTermoformado,

sopladoinyección ...

DeformaciónDeformaciónLaminación, forja, extrusión, estirado,

trefilación...

PolvosPolvos´Presión + sinterización,

con T, Hot Isostatic Presssing.

EspecialesEspecialesChemical Vapor Depositation, laminado de compuestos,

electroformado

Remoción de MaterialRemoción de Material

MC2 - Productos 2

Remoción de MaterialRemoción de MaterialFresado, torneado, cepillado, rectificado, pulido, etc

Tratamiento TérmicoTratamiento TérmicoTemple, Recocido, alivio de tensiones, envejecimiento...

Unión de MaterialesUnión de MaterialesRemachado, soldadura fuerte, blanda, con fusión,

adhesivos-pegamentos, por disolución

TerminaciónTerminaciónDecapado, anodizado, pulido, recubrimientos (zincado,

estañado), pinturas, granallado...

ProductosForja, Investment Casting, Inyección, Metal Inyection Molding, Estampado.

MC2 - Productos 3

PROCESOS de MANUFACTURAMATERIALES METÁLICOS•• PROCESOS MECANICOS: PROCESOS MECANICOS: Involucran aplicación de esfuerzos•• PROCESOS METALURGICOS: PROCESOS METALURGICOS: Involucran aplicación de temperaturas

MATERIALES POLIMÉRICOS•• TERMOPLÁSTICOS: Mediante REFUSIÓN. Posterior se efectúa la TERMOPLÁSTICOS: Mediante REFUSIÓN. Posterior se efectúa la

solidificación en moldes (inyección), en matrices continuas (Extrusión), en solidificación en moldes (inyección), en matrices continuas (Extrusión), en sistemas rotativos (moldeo rotacional=rotomoldeo)… A pesar de que sistemas rotativos (moldeo rotacional=rotomoldeo)… A pesar de que algunos polímeros termoplásticos si son deformables plásticamente no se algunos polímeros termoplásticos si son deformables plásticamente no se emplea como método de fabricación emplea como método de fabricación

MC2 - Productos 4

emplea como método de fabricación emplea como método de fabricación •• TERMOESTABLES: Solidificación por reacciones químicas de TERMOESTABLES: Solidificación por reacciones químicas de

entrecruzamiento de cadenas en fenómeno irreversible. No deformables entrecruzamiento de cadenas en fenómeno irreversible. No deformables plásticamente en estado sólido.plásticamente en estado sólido.

MATERIALES CERÁMICOS y VIDRIOS•• Debido a las elevadas temperaturas de fusión estos materiales no emplean Debido a las elevadas temperaturas de fusión estos materiales no emplean

las técnicas de fabricación vía fusión. Solo en casos de mezclas de óxidos, las técnicas de fabricación vía fusión. Solo en casos de mezclas de óxidos, como el vidrio y refractarios fundidos se emplea la fusión como el vidrio y refractarios fundidos se emplea la fusión -- solidificación solidificación como método de fabricación. En tal caso se llama moldeocomo método de fabricación. En tal caso se llama moldeo

•• Las técnicas de materiales refractarios, cerámicas… incluyen etapas de Las técnicas de materiales refractarios, cerámicas… incluyen etapas de Aglomeración y SINTERIZACIÓN, COCCIÓN en estado sólido como Aglomeración y SINTERIZACIÓN, COCCIÓN en estado sólido como método de aglomeración de productos método de aglomeración de productos

Clasificación esquemática Técnicas de fabricación de materiales metálicos

MC2 - Productos 5

Forja/Laminación/Extrusión/Embutido

Arena/Matriz/Cera Perdida/Continua

Pulvimetalurgia/soldadura

Técnicas de fabricación cerámicas y vidrios

MC2 - Productos 6

PROCESOS MECANICOS

Conformado por Conformado por deformación plásticadeformación plástica

Conformado por Conformado por corte y Mecanizadocorte y Mecanizado

RupturaAplicadoFluencia σ≤σ≤σRupturaAplicado σ≥σ

MC2 - Productos 7

• Forja• Extrusión• Laminación• Trefilado

• Fresado

• Cepillado

• Rectificado

RupturaAplicado

Esta opción es VALIDA para los materiales METÁLICOS, factibles de deformar en estado sólido

Esta opción generalmente se aplica como etapa de ajuste final a la forma del producto: TODOS LOS MATERIALES

PROCESOS METALURGICOS

Por fusión y solidificaciónPor fusión y solidificación

( T > Tf)( T > Tf)• Fundición de piezas• Fundición de lingotes• Soldadura

Por sinterizaciónPor sinterización

( T < Tf )( T < Tf )• Pulvimetalurgia• Materiales compuestos base

metales• Fabricación de componentes

MC2 - Productos 8

• Metalizado (thermal spray) • Fabricación de componentes cerámicos y refractarios

La sinterización es la etapa de aglomeración –endurecimiento efectuado a elevadas temperaturas (T>0,7 Tfusión).

Empleado para productos de materiales metálicos (Aceros fundidos, cobre fundido, etc.)

Empleado para Polímeros Termoplásticos, se llama MOLDEO

GRANOS en Materiales?• La gran parte de los materiales

metálicos se fabrican vía estado líquido… hasta temperaturas del orden de 1.700°C.

• En estado líquido se logra la composición deseada, al ser factible la disolución de los elementos aleantes(UNA SOLA FASE!!)

• La solidificación es el primer fenómeno que importa y afecta a las propiedades de los productos obtenidos.

• En los materiales metálicos los átomos

MC2 - Productos 9

• En los materiales metálicos los átomos al solidificar se ordenan en configuraciones tridimensionales repetitivas (ESTRUCTURAS) en volúmenes llamados GRANOS

• En general los materiales METÁLICOS están formados de muchos granos… son poligranos… son POLICRISTALINOS cuyo tamaño de grano es una característica relevante para las propiedades de los productos.

• Los materiales cerámicos y refractarios también son POLICRISTALINOS.

Secuencia de solidificación y formación de granos…

a)a) Primeros núcleos formados en el líquidoPrimeros núcleos formados en el líquido

b)b) Etapa de crecimiento de los núcleos, Etapa de crecimiento de los núcleos, cada uno con su orientación.cada uno con su orientación.

c)c) Granos encontrándose con otros en Granos encontrándose con otros en superficies, llamadas bordes de granosuperficies, llamadas bordes de grano

d)d) Vista en corte de un material Vista en corte de un material policristalinopolicristalino, en la cual se destacan los , en la cual se destacan los bordes de granos bordes de granos

Estructura ordenada y desordenada de átomos –esferas vistas en un plano…

Estructura ordenada CRISTALINA y desordenada AMORFA de átomos

MC2 - Productos 10

Vista en corte de superficie pulida de un material policristalino… A la izquierda: en este esquema se aprecian granos dentro de los cuales dibujadas líneas que representan planos cristalinosA la derecha, imagen real de material policristalino

Calidad Conformadas Forjadas o (wrought)

Se obtienen inicialmente en la forma de LINGOTES ó COLADA CONTINUA

Los lingotes, al igual que los productos de colada continua, no se usan directamente y DEBEN SEGUIR PROCESOS de DEFORMACIÓN PLASTICA en FRIO o en CALIENTE

MC2 - Productos 11

DEFORMACIÓN PLASTICA en FRIO o en CALIENTE

Aquí se eliminan la macro y micro segregación de composición y la porosidad

Los ciclos DEFORMACIÓN PLÁSTICA EN FRÍO – RECOCIDOy/ó DEFORMACIÓN EN CALIENTE generan recristalización y AFINAMIENTO de la estructura.

LAMINACIÓNFORJA

DOBLADO

MC2 - Productos 12

TREFILACIÓN EXTRUSIÓN

“Alambres” “Perfiles de Al”EMBUTIDO

PRODUCTOS CONFORMADOS

LáminaBarras

MC2 - Productos 13

PerfilesLaminación

Laminación en Frío

MC2 - Productos 14

�� Mayores esfuerzos para deformaciónMayores esfuerzos para deformación�� Los granos se orientan durante la deformaciónLos granos se orientan durante la deformación�� Producto de la Temperatura el material no se recupera... Para seguir Producto de la Temperatura el material no se recupera... Para seguir

deformando debe aplicarse mayores esfuerzos ... Hasta el límite de la deformando debe aplicarse mayores esfuerzos ... Hasta el límite de la aleación aleación

�� El materilal queda endurecido por deformaciónEl materilal queda endurecido por deformación

Laminación en Caliente

MC2 - Productos 15

� Menos esfuerzo para deformación� Los granos se orientan durante la deformación� Producto de la Temperatura el material se recupera... Recristaliza.... Se

ablanda nuevamente y puede seguir deformándose sin mayores esfuerzos � Al siguiente evento de deformación plástica el material está blando

SolidificaciónLos principales fenómenos que se desarrollan en la solidificación de metales y aleaciones para la obtención de PRODUCTOS FUNDIDOS son:

� Cambios Volumétricos, en estado líquido, al solidificar y en estado sólido

� Macro y Micro Segregaciones (solo aleaciones). La composición de los productos fundidos no es

MC2 - Productos 16

composición de los productos fundidos no es homogénea

� Aparición de macroestructuras de solidificación características: granos grandes orientados de acuerdo a la extracción de calor y con distintas morfologías (columnar, equiaxial...)

� Aparición de microporosidades asociadas a morfología de solidificación dendrítica (RAMIFICADA)

Estructura de solidificación: Líquido solidificado en molde

Tres zonas características:

• Zona Chill o acoquillada (pared de la pieza)

• Zona columnar

MC2 - Productos 17

• Zona columnar(granos orientados según extracción de calor)

• Zona equiaxial, en el centro de la pieza

CARACTERÍSTICAS DE LOS PRODUCTOS FUNDIDOS

Al solidificar los productos fundidos (y los lingotes – colada continua) presentan las características de:

El líquido desde que se cuela al molde (lingote) reduce su volumen:∆V1 Temperatura de colada hasta TFUSIÓN

∆ V2 Al solidificar a la TFUSIÓN

∆ V3 Desde TFUSIÓN HASTA TAMBIENTE

MC2 - Productos 18

Granos del SÓLIDO orientados según extracción de calor

Composición NO HOMOGENEA (macro y microsegregados) Macro entre superficie y centro de la pieza solidificada y Micro a nivel de los granos no homogéneos

Inoculantes: afinadores de granos en la solidificaciónPara afinar y romper la estructura de granos orientada de granos de solidificación es posible Para afinar y romper la estructura de granos orientada de granos de solidificación es posible aplicar inoculantes… La imagen de la derecha está solidificada con Inoculantes, y se aprecia aplicar inoculantes… La imagen de la derecha está solidificada con Inoculantes, y se aprecia

que se ha roto la estructura orientada de granos de granos que se ha roto la estructura orientada de granos de granos columnarescolumnares (que aparece a la (que aparece a la izquierdaizquierda))

MC2 - Productos 19

WELDING: efecto velocidadLa soldadura de metales con fusión: WELDING, La soldadura de metales con fusión: WELDING, también genera granos orientados en la solidificacióntambién genera granos orientados en la solidificación

MC2 - Productos 20

Zona FundidaZona Fundida

Productos FundidosProductos Fundidos

Horno Fusión

Diseño

MC2 - Productos 21

VACIADO EN MOLDE Fabricación

MOLDE

Modelo

Elementos de un Molde

• Un molde requiere de:–– una cavidad para vaciar el líquido, que es una cavidad para vaciar el líquido, que es

fabricada con un modelo.fabricada con un modelo.–– una cavidad de reserva de metal líquido una cavidad de reserva de metal líquido

(montante (montante –– riser) que DEBE solidificar riser) que DEBE solidificar después de la pieza…después de la pieza…

–– y un vaciado para el sistema de llenado o y un vaciado para el sistema de llenado o de alimentación de alimentación

–– Para piezas fundidas que presentan Para piezas fundidas que presentan cavidades interiores el molde debe cavidades interiores el molde debe

MC2 - Productos 22

–– Para piezas fundidas que presentan Para piezas fundidas que presentan cavidades interiores el molde debe cavidades interiores el molde debe contener el negativo de la cavidad.. Que es contener el negativo de la cavidad.. Que es un sólido llamado alma un sólido llamado alma –– core y es parte core y es parte del moldedel molde

• El modelo es la misma pieza sobredimensionada en la misma magnitud de las contracciones del sólido desde la temperatura de solidificación hasta la temperatura ambiente

Secuencia Molde de Arena aglomerada

1. Modelo en dos partes

2. Parte inferior superior? del molde con la mitad del modelo

MC2 - Productos 23

modelo

3. Molde armado en dos partes

4. Vaciado de líquido

5. Producto solidificado desmoldeado

HORNOS DE FUSIÓN: Arco e Inducción

MC2 - Productos 24

Hornos de fusión: Inducción y Combustión

MC2 - Productos 25

DIAGRAMA DE FLUJO ESQUEMÁTICO DE OPERACIONES BÁSICAS DE MOLDEO EN ARENA

MC2 - Productos 26

MC2 - Productos 27

PROCESOS DE FUNDICIÓN visto desde el punto de vista del molde o del modelo

Modelo PERMANENTEModelo PERMANENTE Modelo DESECHABLEModelo DESECHABLE

Madera Madera Cera Perdida. Cera Perdida. Tecnología de Tecnología de fundición de precisión fundición de precisión (Investment Casting)(Investment Casting)

AluminioAluminio Espuma perdida. Espuma perdida. Modelo de PS Modelo de PS (PolieStireno expandido) que al (PolieStireno expandido) que al

MC2 - Productos 28

(PolieStireno expandido) que al (PolieStireno expandido) que al vaciar metal líquido se evaporavaciar metal líquido se evapora

Molde PERMANENTEMolde PERMANENTE

Moldes metálicosMoldes metálicos

Molde DESECHABLEMolde DESECHABLE

En general arenas aglomeradasEn general arenas aglomeradas

Die Casting (molde metálico) Die Casting (molde metálico) fundido a presiónfundido a presión

Arena c/ arcilla Arena c/ arcilla –– agua (moldeo agua (moldeo en verde) en verde)

CentrífugaCentrífuga Arena c/ polímero (resina)Arena c/ polímero (resina)

Esquemas de procesos

Cera Cera

Fundición Fundición centrífuga centrífuga horizontal y horizontal y verticalvertical

MC2 - Productos 29

Cera Cera perdidaperdida

verticalvertical

Die Casting Die Casting (fundición (fundición a presión)a presión)

Microestructura, observación bajo microscopio de aleaciones de cospeles para 10, 20 y 50 centavos de euro. Se aprecian los granos. La aleación “Oro nordico” contiene:

Cu-5%Al-5%Zn-1%Sn

Deformada en frío o

MC2 - Productos 30

Deformada en frío o en caliente??

Carburo de

tungsteno

WC

Polvos de cobalto Metálico

MEZCLA COMPACTACIÓN

ESQUEMA DE OPERACIONES Y PROCESOS EN LA PULVIMETALURGIAPulvimetalurgia… Fabricación de “metales duros”

MC2 - Productos 31

Carburo de Titanio y TantalioTiC-TaC

SINTERIZACIÓN

RE-COMPACTACIÓN

o mecanizado

intermedio

RE-SINTERIZACIÓN

EVENTUAL

EJEMPLOS DE APLICACIONES Pulvimetalurgia

MC2 - Productos 32

En los casos presentados se trata de: mezclas de materiales - FASES metálicos inmiscible en estado líquido (metales, óxidos, carburos).

La fase metálica en actúa como la fase “ligante”. En la etapa de sinterización, se producen movimientos atómicos en la fase de menor temperatura de fusión (Por ello la sinterización se realiza a elevadas temperaturas… sobre 0,7TFUSION (°K))

Cambios microestructurales que ocurren

durante la etapa de sinterización.

a) Polvos después de etapa de compactado

b) Coalescencia de partículas, formación de

poros cuando comienza la sinterización.

Esto ocurre por disminución de energías

de superficie y los átomos difunden (se

mueven) para lograr esta disminución de

energía. Hasta este estado llega el caso

MC2 - Productos 33

energía. Hasta este estado llega el caso

del Bronce autolubricado… poroso, para

“alojar” aceite en los poros.

c) Al avanzar la sinterización los poros

cambian en tamaño y forma

Imagen de Al2O3 sinterizada a 1700°C por 6 min

MC2 - Productos 34

MC2 - Productos 35

Tecnología de Polímeros Termoplásticos

• Los polímeros termoplásicos se pueden fundir…•• TERMOPLÁSTICOS: Refusión. Posterior solidificación de moldes TERMOPLÁSTICOS: Refusión. Posterior solidificación de moldes

(inyección), en matrices continuas (Extrusión), en sistemas rotativos (inyección), en matrices continuas (Extrusión), en sistemas rotativos (moldeo rotacional=rotomoldeo)… (moldeo rotacional=rotomoldeo)…

•• A pesar de que algunos polímeros termoplásticos si son deformables A pesar de que algunos polímeros termoplásticos si son deformables plásticamente no se emplea como método de fabricación plásticamente no se emplea como método de fabricación

•• Los polímeros termoplásticos por el hecho de ser refundibles, son Los polímeros termoplásticos por el hecho de ser refundibles, son reciclablesreciclables

MC2 - Productos 36

reciclablesreciclables•• Los polímeros termoplásticos están formados por cadenas Los polímeros termoplásticos están formados por cadenas –– son son

macromoléculas macromoléculas –– formadas por muchas (poli) unidades básicas que formadas por muchas (poli) unidades básicas que se repiten (meros)… pueden llegar a tener hasta 8.000.000 de se repiten (meros)… pueden llegar a tener hasta 8.000.000 de unidades repetitivas en una cadena. Normalmente presentan largos unidades repetitivas en una cadena. Normalmente presentan largos promedios de 30.000 merospromedios de 30.000 meros

•• El estado fundido de los polímeros equivale a cadenas “sueltas” El estado fundido de los polímeros equivale a cadenas “sueltas” ocupando un mayor volumen y que al aplicar esfuerzos las cadenas ocupando un mayor volumen y que al aplicar esfuerzos las cadenas pueden desplazarse y así orientarse según el sentido del flujo del pueden desplazarse y así orientarse según el sentido del flujo del proceso de fabricaciónproceso de fabricación

Esquemas de Procesos: EXTRUSIÓN, ROTOMOLDEO

MC2 - Productos 37

Rotomoldeo o Moldeo Rotacional: ejemplos de aplicación

MOLDEO POR INYECCIÓN OINJECTION MOLDING

MATERIAL PROCESADO

SECADO

MC2 - Productos 38

MOLDEO POR INYECCIÓN

MOLDEO“FUSIÓN” INYECCIÓN

Otros Procesos en Termoplásticos

MC2 - Productos 39

Caso de aglomeración en sistemas cerámicosReacciones entre sólidos que son causantes de la sinterización

MC2 - Productos 40

Son los sólidos que reaccionan formando fase líquida en la etapa de curado. Las imágenes de la izquierda muestran secuencia en la etapa de secado

Diagrama de Fases SiO2-Al2O3 base de los refractarios silico aluminosos

MC2 - Productos 41

Aglomeración SiO2 - Silicato Na(imagen conceptual)

A photograph of

silica sand grains

bonded with

sodium silicate

MC2 - Productos 42

sodium silicate

through the

cementation

mechanism (x60).

Ejemplos de Procesamiento

Moldeo del Vidrio

Presión y soplado fabricación de botellas

MC2 - Productos 43

Ejemplo de fabricación de

cerámicas mediante proceso con

barbotina (slip casting)

MC2 - Productos 44

Resumen• Se ha tenido una visión de alternativas de fabricación de

diferentes materiales de Ingeniería

• Se ha analizado los aspectos de solidificación de los materiales metálicos

• Se ha observado las diferentes áreas de una empresa fabricante de productos fundidos.

• Se ha presentado las ventajas y oportunidades de las diferentes

MC2 - Productos 45

• Se ha presentado las ventajas y oportunidades de las diferentes formas de obtención de productos

• Se visto las diferentes etapas de la tecnología Pulvimetalurgia y algunas de sus múltiples aplicaciones

• Formas y tecnologías de fabricación de materiales poliméricos termoplásticos (fundibles); materiales cerámicos y vidrios

• Se ha presentado aspectos de estructura de granos de los materiales metálicos y refractarios