U N I D A D N° 5

Metales No Ferrosos Material estructuras, propiedades

Y Procesos de manufactura

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Universidad Nacional de Córdoba Facultad de Arquitectura Urbanismo y Diseño

Carrera de Diseño Industrial Cátedra de Tecnología 1

T€CNOLOGIfi I - UNlPñPN°5

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índice temático:

Metales No Ferrosos 1. - Introducción General 1 1.1- Grupo 1: Baja temperatura de fusión, costo moderado, productos estándar 6

El aluminio y aleaciones de aluminio: 6 1.2- El cobre y aleaciones de cobre 10 1.3- El magnesio y las aleaciones de magnesio 12 1.4- El níquel y aleaciones deníkel 13 1.5- El zinc 13

2.1- Grupo 2: Baja a alta temperatura de fusión y bajo a alto costo 14 El plomo 14

2.2- El estaño 15 2.3- Metales preciosos: el oro, la plata y el platino 15

3.1- Grupo 3: Media a Alta temperatura de fusión, alto costo y desempeño 16 El berilio 16

3.2- El cromo 17 3.3- Metales refractarios y sus aleaciones 17 3.4- Titanio y aleaciones 18

4.- Procesos de conformado, generalidades 19 4.1- Moldeo a presión 21 4.2- Extrusión 28

5.1 Series de producción 31

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TECNOLOGIA I - UNIDAD N° 5

METALES NO FERROSOS: Ordenados por su costo y punto de fusión

1.- Introducción

Los metales y aleaciones no ferrosas incluyen una amplia gama de materiales, desde los metales más comunes y estandarizados como el aluminio, cobre, magnesio y zinc, hasta las aleaciones de alta resistencia y temperatura siendo las menos usuales y mas costosas, como las del tungsteno, tantalio y molibdeno.

En general los no ferrosos son de mayor costo nue los metales ferrosos como vemos en la siguiente tabla comparativa:

TABLA 1 Costo aproximado por volumen unitario para metales forjados y plásticos con relación al costo del acero al carbono

Los metales y aleaciones no ferrosos tienen aplicaciones importantes debido a propiedades como por ejemplo resistencia a la corrosión, elevada conductividad térmica y eléctrica, baja densidad y facilidad de fabricación.

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Fundamentalmente la comparación con los ferrosos como los aceros es que deben competir con los no ferrosos ya que estos últimos tienen propiedades mecánicas semejantes a los primeros a considerablemente menor peso, factor importante en los costos por peso y cantidad de material en la producción y en productos de gran tamaño. Comparemos por ejemplo en la siguiente tabla los valores entre el aluminio o el titanio con respecto a los hierros, fundición gris o al acero.

Tabla comparativa de metales ferrosos y no ferrosos por sus propiedades mecánicas por densidad.

Los metales no ferrosos y sus aleaciones forman una amplia gama de materiales. Pueden estar compuestos de aluminio, magnesio y cobre y sus aleaciones, con una gran variedad de aplicaciones. Para servicio a temperaturas más elevadas, están compuestos de níquel, titanio y aleaciones refractarias (molibdeno, niobio, tungsteno, tantalio), así como de las superaleaciones.

Otras categorías no ferrosas incluyen a las aleaciones de bajo punto de fusión (plomo, zinc, estaño) y los metales preciosos (oro, plata, platino).

Las aleaciones no ferrosas tienen una amplia variedad de propiedades deseables como: resistencia, tenacidad, dureza y ductilidad, resistencia a temperaturas elevadas, a la termofluencia y a la oxidación, así como una gran gama de propiedades físicas, térmicas y químicas. Pueden ser tratadas térmicamente para impartirles ciertas propiedades deseadas. Entre sus propiedades atractivas están relaciones de resistencia a peso y de rigidez a peso elevadas, particularmente en el caso del aluminio y del titanio.

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Como en todos los materiales, la selección de un material no ferroso hecha por el diseñador para una aplicación específica, requiere tomar en consideración muchos factores, entre otros, como los requisitos de diseño y de servicio, los efectos a largo plazo, la afinidad química con otros materiales, el ataque ecológico y el costo por peso y por manufactura.

Entre los desarrollos más recientes están las aleaciones con memoria de forma, las aleaciones amorfas (vidrios metálicos) y los nanomateriales, todos ellos con algunas propiedades superiores a las de los materiales convencionales. Cada una de ellas tiene varias aplicaciones únicas en el diseño de productos y en la manufactura.

Ejemplos de las aplicaciones de metales y aleaciones no ferrosos son el aluminio para utensilios de cocina y fuselaje de aeronaves, alambre de cobre para conductores eléctricos, tubería de cobre para el suministro de agua residencial, el zinc para proteger las láminas de metal galvanizado para la carrocería de automóviles, el titanio para las alabes de las turbinas de los motores a reacción e implantes ortopédicos, y el tantalio para los motores a chorro.

En esta unidad estudiaremos las propiedades, características y designaciones, los métodos de producción y las importantes aplicaciones de diseño para los metales y aleaciones no ferrosas.

Las propiedades de manufactura de estos materiales, como es la capacidad de formado o formabilidad, son semejantes a los procesos de conformado como en el hierro y los aceros ya vistos en las anteriores unidades, que en adelante veremos las diferencias puntuales de conformación principalmente por estado líquido como la fundición de aluminio y bronce y por deformación plástica en frío y sus requisitos de diseño. Conoceremos específicamente a los no ferrosos como materiales, sus propiedades y compararlos con los ferrosos e incluso con los polímeros y demás materiales no metálicos a modo ilustrativo.

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Origen de las propiedades de los Metales No ferrosos según su estructura y ordenamiento atómico:

Recordemos lo estudiado en la Unidad N° 3, donde las estructuras cristalinas conformadas por el ordenamiento de sus átomos es debido al proceso de transformación de fase de líquido a sólido, estos cambios de temperatura generan la forma en que estos átomos se organizan y determina las propiedades de un metal particular. Estas estructuras se dan en los metales en general sean ferrosos o no ferrosos.

Podemos modificar estos arreglos agregando átomos de algún otro metal o metales, conocidos como aleantes; a menudo ello mejora las propiedades del metal.

Cada una de estas tres configuraciones atómicas es llamada una fase.

A- Estructura y propiedades del: Cromo, molibdeno, tantalio, tungsteno, y vanadio: Cúbico centrado en el cuerpo (bcc) Ferrita: 68% átomos y 32% de espacio vacío

Propiedades mecánicas: Muy dúctiles, baja dureza y fragilidad mínima.

B- Estructura y propiedades del: Aluminio, cobre, níquel, plomo, plata, oro, platino). Cúbico centrado en la cara (fcc) Austenita: 74% átomos y 26% de espacio vacío

Propiedades mecánicas: Ductilidad media, dureza y fragilidad de baja a media y buena resistencia.

(a)

C- Estructura y propiedades del: Berilio, cadmio, cobalto, magnesio, titanio, zinc, y circonio. Hexagonal compacto (bcp) Martensita: metales alta temp.

Propiedades mecánicas: Alta dureza y fragilidad de media a máxima, baja resistencia.

Según se observa en las figuras anteriores cada átomo en la estructura bcc tiene ocho átomos vecinos. De las tres estructuras que se han mostrado, los cristales fcc y hcp tienen las configuraciones

empacadas más densamente. En la estructura hcp, los planos inferior y superior se conocen como básales. La razón por la cual los metales forman estructuras cristalinas diferentes es a fin de minimizar la

energía requerida para ajustarse entre sí formando un patrón regular. El tungsteno, por ejemplo, forma una estructura bcc porque dicha estructura involucra menos energía que otras.

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Para comenzar iniciaremos el estudio agrupando a materiales semejantes en tres grupos diferentes, cada uno por características semejantes.

En este primer grupo tenemos a los materiales estandarizados principalmente por su uso mas popular y masivo, de baja a media temperatura de fusión y de costo medio.

Ellos son el aluminio 660° C, el cobre 1.083° C. el magnesio 1.245° C y el zinc 419.5" C.

Los factores de importancia en la selección del aluminio (Al) y de sus aleaciones, son principalmente su elevada relación resistencia a peso, su resistencia a la corrosión frente a muchos productos químicos, su elevada conductividad térmica y eléctrica, su no toxicidad, su reflectividad, su apariencia y su facilidad de conformado y de maquinabilidad; también son antimagnéticos.

Esta es una tabla característica que encontramos en libros de materiales, los diseñadores eligen y comparan en función a sus propiedades mecánicas de resistencia, y como se puede observar al igual que en los ferrosos, (los hierros y aceros), los aluminios también tienen una codificación (Ej. 7075) como veremos mas adelante en función de sus componentes aleantes cuando no se trata de aluminio puro.

El aluminio es uno de los metales más usados y especialmente importantes en el diseño y producción industrial, con solo mencionar las sillas de Jorge Pensi y el exprimidor de Philipe Starck por su reconocimiento a nivel mundial lo lograron con este importante material.

USOS: Los usos principales del aluminio y de sus aleaciones, en orden decreciente de consumo, es en productos recipientes y empaques (latas de aluminio y hoja de aluminio), en edificios y otros tipos de construcciones, en el transporte (aplicaciones en aeronaves aerospaciales, colectivos, automóviles, vagones de ferrocarril y equipo marino), en aplicaciones eléctricas (conductores eléctricos económicos y no magnéticos), en productos duraderos para el consumidor (aparatos domésticos, utensilios de cocina y muebles), y en herramientas portátiles (tablas 3 y 4).En el deporte, principalmente donde se utilizan elementos resistentes como en el atletismo y el ciclismo. En la aviación sus componentes estructurales el 79% de una aeronave Boeing 757 es aluminio.

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Disponibilidad como materia prima:

Las aleaciones de aluminio están disponibles como productos de laminación, es decir, como productos en bruto presentados en varias formas mediante laminado al igual que los aceros, extrusión, estirado y forjado. Están disponibles también como lingotes de aluminio para la fundición.

Se han desarrollado técnicas mediante las cuales la mayor parte de las aleaciones de aluminio pueden ser maquinadas, formadas y soldadas con relativa facilidad, pero este es su punto débil comparado con los aceros, el aluminio a la hora de decidir su unión merece estudios fundamentalmente de costos ya que la soldadura y los adhesivos son de elevado costo y procesos de infraestructura.

Hay dos tipos de aleaciones de aluminios:

A)- Forjados o trabajados mecánicamente. B)- Fundidas o coladas.

AVDesignación de las aleaciones del aluminio forjados o trabajados mecánicamente . Las aleaciones de aluminio en bruto se identifican mediante cuatro dígitos y una designación de temple mostrando el estado del material. Se identifica el elemento principal de las aleaciones mediante el primer dígito. Este es el sistema, que a su vez se diferencian por:

.Aleaciones que puedan ser endurecidas por trabajo en frío y que no es posible tratarlas térmicamente.

.Aleaciones que pueden ser endurecidas por tratamiento térmico.

lxxx Aluminio comercialmente puro - excelente resistencia a la corrosión; elevada conductividad eléctrica y térmica; buena capacidad de trabajo; baja resistencia; no es tratable térmicamente.

2xxx Cobre - elevada relación resistencia a peso; baja resistencia a la corrosión; tratable térmicamente. 3xxx Manganeso - buena capacidad de trabajo; resistencia moderada; no es tratable térmicamente. 4xxx Silicio - menor punto de fusión; forma una película de oxido de color de gris oscuro a negro

carbón; generalmente no es tratable térmicamente. 5xxx Magnesio -buena resistencia a la corrosión y buena soldabilidad; resistencia mecánica de moderada

a alta; no es tratable térmicamente. 6xxx Magnesio y silicio - resistencia media; buena formabilidad, maquinabilidad, soldabilidad y

resistencia a la corrosión; tratable térmicamente. 7xxx Zinc - resistencia de moderada a muy alta; tratable térmicamente. 8xxx Otro elemento.

En estas designaciones el segundo dígito indica modificaciones de la aleación. Para la serie lxxx, el tercero y cuarto dígitos representan la cantidad mínima de aluminio en la aleación -por ejemplo, "1050" indica un mínimo de 99.50% de aluminio, "1090" indica un mínimo de 99.90% de aluminio. En otras

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series el tercero y cuarto dígitos identifican las diferentes aleaciones en el grupo sin un significado numérico. Ejemplo, aluminio 6151F

Duraluminio

Los duraluminios son un conjunto de aleaciones de forja de aluminio, cobre (0,45%-1,5%) y magnesio (0,45%-1,5%) así como manganeso (0,6%-0,8%) y silicio (0,5%-0,8%) como elementos secundarios. Pertenecen a la familia de las aleaciones aluminio-cobre (2000).

Presentan una elevada resistencia mecánica a temperatura ambiente, sin embargo, su resistencia a la corrosión, soldabilidad y aptitud para el anodizado son bajas. Se emplean en la industria aeronáutica, de automoción. y deportiva.

En el deporte se pueden observar distintos ejemplos donde las solicitudes en resistencias mecánicas, y relación a bajo peso son fundamentales las aleaciones no ferrosas como el duraluminio y su mejora en propiedades como resistencia, elasticidad, dureza, bajo índice de rotura, resistencia a la fatiga, etc. Se logran gracias a procesos de forjado y tratamientos de temple.

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B)-Designación de las aleaciones de aluminio fundidas: Las designaciones de las aleaciones de aluminio fundidas también están formadas por cuatro dígitos. El primer dígito indica el grupo de aleación principal como sigue:

lxx.x -Aluminio (99.00% mínimo); 2xx.x -Aluminio-cobre; 3xx.x -Aluminio-silicio, con cobre y/o magnesio; 4xx.x -Aluminio-silicio; 5xx.x -Aluminio-magnesio; 6xx.x -Serie no utilizada; 7xx.x -Aluminio-zinc; 8xx.x -Aluminio-estaño.

En la serie lxx.x, los segundos y tercer dígitos l(xx).x indican el contenido mínimo de aluminio, igual que ocurre en los terceros y cuartos dígitos del aluminio forjados. Para las otras series, los dígitos segundos y terceíos no tienen un significado numérico. El cuarto dígito (a la derecha del punto decimal) lxx.(x) indica la forma del producto.

Designaciones de temple. Las designaciones de temple para el aluminio tanto en bruto como fundido son como siguen:

.F -Tal y como se fabrica (mediante trabajo en frío o en caliente o mediante el colado);

.T -Tratado térmicamente; como recocido. (Por ejemplo T4, T5, T6 y T7.)

.H -Endurecido por deformación por trabajo en frío (para productos forjados únicamente);

.O- Recocido (del estado de trabajo en frío o colado);

.W -Tratado por solución únicamente (temple inestable).

Los números que pueden seguir a estas letras corresponden a la variación en el trabajo en frío y tratamiento térmico, como H14 o T6 por ejemplo.

SUBDIVISIÓN DE LOS ESTADOS (T) TRATAMIENTO TÉRMICO

Las cifras del 1 al 10 que siguen a la letra "T" indican las secuencias específicas de los tratamientos básicos como se verá a continuación.

TI : Tratamiento de temple desde la temperatura de extrusión y maduración natural. Aplicado a los semi-productos, que desde la temperatura de extrusión reciben un enfriamiento a velocidad suficiente (temple), de manera que con una maduración natural posterior, se incrementan sus propiedades mecánicas. Se incluyen en este estado los productos que después del enfriamiento son sometidos a un aplanado o enderezado por tracción sin efectos sensibles sobre las propiedades mecánicas.

T2: Tratamiento de temple desde la temperatura de extrusión, acritud y maduración natural. Aplicado a los semi-productos que después de un enfriamiento a velocidad suficiente (temple) desde la temperatura de extrusión (o laminación) reciben una acritud determinada seguida de un madurado natural con objeto de mejorar su resistencia mecánica. Se incluyen en este estado los productos que después del temple son sometidos a un aplanado o enderezado por tracción con efectos sobre las propiedades mecánicas.

T3: Tratamiento térmico de solución (1), temple (1), acritud y madurado natural. Aplicado a los semi-productos que después de un tratamiento de solución o temple, reciben una acritud determinada seguida de una maduración natural con objeto de mejorar su resistencia mecánica. Se incluyen en este estado los productos que después del temple son sometidos a un aplanado o enderezado por tracción con efecto sobre sus propiedades mecánicas.

T4: Tratamiento térmico de solución (1), temple (1), y maduración natural. Aplicado a los semi-productos que después de un tratamiento de solución, temple y maduración natural mejoran sus propiedades mecánicas. Se incluyen en este estado los productos que después del temple son sometidos aun aplanado o enderezado por tracción sin efecto sobre las propiedades mecánicas.

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T5: Tratamiento térmico de temple desde la temperatura de extrusión y maduración artificial. Aplicado a los semi-productos que desde la temperatura de extrusión reciben un enfriamiento con aire forzado a velocidad suficiente (temple), de manera que con una maduración artificial posterior se incrementan sus propiedades mecánicas. Se incluyen en este estado los productos que después del enfriamiento son sometidos a un aplanado o enderezado por tracción, sin efectos sensibles sobre las propiedades mecánicas.

T6: Tratamiento térmico de solución (1), temple (1) y maduración artificial. Aplicado a los semi-productos que después de un tratamiento de solución temple y maduración artificial mejoran sus propiedades mecánicas. Se incluyen en este estado los productos que después del temple son sometidos a un aplanado o enderezado por tracción sin efecto sobre las propiedades mecánicas.

T7: Tratamiento térmico de solución (1), temple (1) y sobre-maduración / estabilizado. Aplicado a los semi-productos que son madurados artificialmente después del tratamiento de solución y temple, más allá del límite correspondiente a la máxima resistencia con el fin de controlar alguna característica significativa.

T8: Tratamiento térmico de solución (1), temple (1), acritud y maduración artificial. Aplicado a los semi-productos que reciben una acritud determinada entre el temple y la maduración artificial para mejorar su resistencia. Se incluyen en este estado los productos que después del temple son sometidos a un aplanado o enderezado por tracción con efecto sobre las propiedades mecánicas.

T9: Tratamiento térmico de solución (1), temple (1), maduración artificial y acritud. Aplicado a los semi-productos que son deformados en frío después del tratamiento de solución, temple y maduración artificial, para mejorar su resistencia mecánica.

TÍO: Tratamiento térmico de temple desde temperatura de extrusión, acritud y maduración artificial. Aplicado a los semi-productos que después del enfriamiento (temple) y antes de la maduración artificial reciben una acritud determinada.

1.2- COBRE y ALEACIONES DE COBRE

Producido por primera vez alrededor de 4000 a.C, el cobre (Cu) y sus aleaciones poseen propiedades algo similares a las del aluminio y sus aleaciones. Además, son de los mejores conductores de la electricidad y del calor (tablas 1 y 2), y tienen una buena resistencia a la corrosión. Son de fácil procesamiento mediante técnicas de formado, maquinado, fundido y soldado

Las aleaciones de cobre a menudo resultan atractivas para aplicaciones en las cuales se requieren una combinación de propiedades eléctricas, mecánicas, antimagnéticas, resistentes a la corrosión, térmicamente conductoras y resistentes al desgaste. Estas aplicaciones incluyen componentes eléctricos y electrónicos, resortes, cartuchos para pequeñas armas de fuego, plomería, intercambiadores de calor, herrajes marinos y artículos de consumo, como utensilios de cocina, joyería y otros objetos decorativos.

TABLA 5 Propiedades y aplicaciones típicas de cobres y latones forjados seleccionados Resistencia Resisten- Blonga-

Composición tensil cía a la ción en nominal máxima cedencia 50 rom

Tipo y número UNS (%) (MPa) (MPa) (%) Aplicaciones típicas

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El cobre puro también puede ser utilizado como un lubricante sólido en operaciones de formado en metal caliente.

Las aleaciones de cobre pueden adquirir una amplia variedad de propiedades mediante la adición de elementos aleantes y mediante el tratamiento térmico, a fin de mejorar sus características de manufactura.

Las aleaciones de cobre más comunes son los latones y los bronces. El latón, que es una aleación de cobre y zinc, fue una de las primeras aleaciones desarrolladas y tiene numerosas aplicaciones, incluyendo objetos decorativos (tabla 5).

El bronce es una aleación de cobre v estaño (tabla 6). Existen también otros bronces, como bronce al aluminio que es una aleación de cobre y aluminio y bronces al estaño. El cobre al berilio, o bronce al berilio, así como el bronce al fósforo tienen buena resistencia y dureza para aplicaciones como resortes y bujes para ejes.

Como dijimos el bronce es una aleación de cobre y estaño, donde este último trasmite al cobre la resistencia y dureza.

En construcción está muy generalizado su uso en cañerías, chapas de aplicación artística, herrajes artísticos, cierta carpintería metálica y en fabricación de elementos revestidos con un baño de níquel o de cromo.

Otras aleaciones de cobre de importancia son los cuproníqueles y las platas al cobre. Designación de las aleaciones de cobre. Además de identificarse mediante su composición, el cobre y

sus aleaciones se conocen con varios nombres (tablas 5 y 6). Las designaciones de temple, como medio duro, extraduro y extraresorte, etc., se basan en la reducción porcentual producto del trabajo en frío (como es el laminado o estirado).

Si a la aleación de cobre y estaño se le agrega zinc, plomo, magnesio, aluminio, se obtiene un material maleable sin sopladuras. Otro tipo de aleación es la del bronce fosforoso, compuesto por estaño hasta el 30%, desoxidado, con 0,5% o más de fósforo; es muy duro y tenaz , se usa para engranajes, motores, etc.

En estado de fusión es muy fluido, no reteniendo oxígeno, lo que constituye una ventaja para las piezas fundidas por no presentar sopladuras o burbujas. Bronce de aluminio. Compuesto por el 90% de cobre y el 10% de aluminio, es muy parecido al oro y muy apreciado para los trabajos artísticos. Un ejemplo corriente de esta dosificación; son las monedas de 5, 10 y 20 centavos doradas de los años 1950; la proporción de los metales es de 92% de cobre y 8% de aluminio.

El magnesio (Mg) es el metal de ingeniería más liviano disponible, y tiene buenas cacterísticas de amortiguamiento de las vibraciones. Se utilizan sus aleaciones en aplicaciones estructurales y no estructurales siempre que el peso sea una consideración de primera importancia. El magnesio es también un elemento de aleante en varios metales no ferrosos.

Los usos comunes de las aleaciones de magnesio incluyen componentes de aeronaves y misiles, equipo de manejo de materiales, herramientas eléctricas portátiles (como taladros y esmeriles), escaleras, equipaje, bicicletas, artículos deportivos y componentes generales de poco peso. Estas aleaciones están disponibles en forma de fundición o en bruto, como barras y formas extraídas, forjas y placa y hojas

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laminadas. Las aleaciones de magnesio también se utilizan en maquinaria de imprenta y textil, a fin de minimizar las fuerzas de inercia de componentes de alta velocidad.

Dado que no es lo suficientemente resistente en su forma pura, el magnesio es aleado con varios elementos (tabla 7) a fin de obtener ciertas propiedades específicas, en particular una relación elevada de resistencia a peso.

Una variedad de aleaciones de magnesio tiene buenas características de fundición, formado y maquinado. Dado que se oxidan con rapidez (esto es, que son pirofóricos), se presenta un riesgo de incendio, y deben tomarse precauciones al maquinar, esmerilar o fundir en arena las aleaciones de magnesio. Los productos hechos de magnesio y de sus aleaciones no representan, sin embargo, un riesgo de incendio en su uso normal.

Designación de las aleaciones de magnesio. Las aleaciones de magnesio se designan como sigue:

a. Una o dos letras de prefijos, que indican los elementos de aleación principales; b. Dos o tres números, indicando el porcentaje de los principales elementos de aleación, redondeados al decimal más cercano; c. Una letra del alfabeto (a excepción de la I y de la O) indicando la aleación estándar con variaciones menores en composición; d. Un símbolo para el temple del material, siguiendo el sistema que se utiliza para las aleaciones de aluminio.

Por ejemplo, veamos la aleación AZ91C - T6:

.Los elementos de aleación principales son el aluminio (A, 9%, redondeado) y el zinc (Z, 1%).

.La letra C, la tercera letra del alfabeto indica que esta aleación fue la tercera estandarizada (posteriormente a la A ya la B que fueron la primera y la segunda aleación que fueron estandarizadas respectivamente). .T6 indica que esta aleación ha sido tratada por solución y envejecida artificialmente.

1.4- NÍQUEL y ALEACIONES DE NÍQUEL

El níquel (Ni), es un metal blanco plateado descubierto en 1751, es un elemento aleante importante que imparte resistencia, tenacidad y resistencia a la corrosión. Es utilizado ampliamente en los aceros inoxidables y en las aleaciones base níquel (conocidas también como superaleaciones). Las aleaciones de níquel se utilizan en aplicaciones de alta temperatura, como componentes de motores a chorro, motores a reacción y plantas nucleares, en equipo para el manejo de alimentos y procesos químicos, en el acuñado de monedas y en aplicaciones marinas.

En vista que el níquel es magnético, también se utilizan las aleaciones de níquel en aplicaciones electromagnéticas como son solenoides. El uso principal del níquel como metal es en la electrodeposición de piezas por razones de apariencia ya fin de mejorar su resistencia a la corrosión y al desgaste.

Las aleaciones de níquel tienen una elevada fortaleza y resistencia a la corrosión a temperaturas altas. Los elementos de aleación en el níquel son el cromo, el cobalto y el molibdeno. El comportamiento de

las aleaciones de níquel en el maquinado, formado, fundido y soldado puede ser modificado mediante otros elementos de aleación.

Se ha desarrollado una variedad de aleaciones de níquel con un rango de resistencia a diferentes temperaturas. El monel es una aleación de níquel y cobre. El inconel es una aleación de níquel y cromo con una resistencia a la tensión de hasta 1400 Mpa. Una aleación de níquel, molibdeno y cromo (hastelloy) tiene una buena resistencia a la corrosión y resistencia alta a temperaturas elevadas.

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El nicromo, una aleación de níquel, cromo y hierro, tiene una elevada resistencia eléctrica y a la oxidación, utilizándose para elementos de calefacción eléctrica. El invar, una aleación de hierro y níquel, tiene una sensibilidad relativamente baja a la temperatura.

.

El zinc (Zn), que es de color blanco azulado, es el cuarto metal de uso más frecuente en la industria, después del hierro, el aluminio y el cobre. Aunque era conocido durante siglos, no fue estudiado y desarrollado sino hasta el siglo XVIII. Tiene dos usos principales: Para el galvanizado del hierro, de la lámina de acero y del alambre; y como base de aleación para la fundición. En el galvanizado, el zinc sirve de ánodo y protege el acero (cátodo) de ataques corrosivos, en caso que el recubrimiento fuera rayado o perforado. El zinc también se utiliza como un elemento de aleación. El latón por ejemplo es una aleación de cobre y de zinc.

Otro uso principal del zinc es estructural, pero el zinc puro rara vez es utilizado para este fin. Los elementos de aleación principales en las aleaciones en base al zinc son el aluminio, cobre y magnesio; imparten resistencia y proporcionan control dimensional durante la fundición y colada del metal. Las aleaciones base zinc se utilizan ampliamente en la fundición a presión conocidas como ZAMAK, para la manufactura de productos como bombas de combustible y parrillas de automóviles, componentes para aparatos domésticos como aspiradoras, lavadoras y equipo de cocina, así como varias partes de maquinaria y equipo de fotograbado.

Zamak

Es una aleación de zinc con aluminio, magnesio y cobre. Tiene dureza, y resistencia a la tracción, densidad 6,6 g/cm3 y temperatura de fusión de 386 °C. Este material puede inyectarse (por cámara fría o caliente), otro proceso posible es la fundición en tierra o de coquilla. Es un material barato, posee buena resistencia mecánica y deformabilidad plástica, y buena colabilidad. Se lo puede cromar, pintar y mecanizar. La única desventaja de este material es que la temperatura en presencia de humedad lo ataca provocándose una corrosión intercristalina. Puede ser utilizado para piezas estructurales. Durante la inyección a presión, es posible la aparición de poros internos o burbujas en el proceso de inyección o colada, lo que puede derivar en la disminución de la resistencia mecánica de las piezas. Sin embargo, una correcta inyección generará una distribución homogénea de poros finos, lo cual favorecerá la tenacidad de la pieza inyectada, al verse frenado el crecimiento de grietas por dichos poros finos.

Está muy extendido su uso actualmente en el sector del herraje, debido en gran parte a la creciente subida de materiales más habituales en este sector como puede ser el latón. Siendo el Zamak el sustituto económico del latón. Igualmente el sector de la automoción también es un claro consumidor de Zamak en forma de piezas de seguridad, carcasas, bielas, etc.

La aleación más comúnmente usada de ZAMAK es ZAMAK-5, pero ZAMAK-2, ZAMAK-3 y ZAMAK-8 también se fabrican y su uso es bastante extenso.

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Ventajas del Zamak

La fabricación de piezas por fundición de zamak presenta una serie de ventajas frente a la fabricación de piezas por inyección de aluminio. Estas ventajas se traducen sobre todo en ahorro de tiempo y costos como mejores acabados de las piezas:

El zamak precisa de menos consumo de energía para su transformación, pues se funde a 400 - 420°. La inyección de zamak a presión permite fabricar piezas en grandes volúmenes con una alta precisión. La fabricación de piezas por inyección de zamak permiten reproducir fácilmente todos los detalles de las piezas prescindiendo del proceso de maquinado y reduciendo costes. Ciclos de inyección más rápidos Ahorro de mecanizados.

_Las piezas fabricadas con zamak permiten mejores acabados y tratamientos

En estas piezas inyectadas en Zamak se pueden observar los detalles y terminaciones de buena calidad, asi como los orificios y calados en diferentes planos.

Las aleaciones de bajo punto de fusión se llaman así debido a sus puntos de fusión relativamente bajos; los metales principales de esta categoría son el plomo 327° C, estaño 232° C y sus aleaciones y metales preciosos como el oro 1.063° C, la plata 960° C y el platino 1.769° C.

Este grupo esta formado por estos metales no ferrosos debido a su bajo consumo con respecto al giupo anterior de metales mas estandarizados y de mayor consumo.

2.1- Plomo

El plomo (Pb, de la palabra Plumbum, la raíz de la palabra plomero) tiene propiedades de alta densidad, resistencia a la corrosión (en virtud ala capa estable de óxido de plomo que se forma en su superficie para su protección), blandura, baja resistencia, ductilidad y buena capacidad de conformado. Al alearlo con varios elementos (como el antimonio y el estaño) se mejoran las propiedades deseables del plomo, haciéndolo adecuado para tubos, tuberías colapsables, aleaciones para cojinetes, blindajes para cable, baterías de almacenamiento de plomo y ácido. También se utiliza el plomo para amortiguar el sonido y las vibraciones, en blindajes contra la radiación de rayos X, en las municiones, como peso y en la industria química.

Las tuberías de plomo fabricadas por los romanos e instaladas en las termas en Bath, Inglaterra hace 2000 años, siguen todavía en uso. El plomo es también un elemento de aleación en las soldaduras, y en las aleaciones de acero y de cobre; promueve resistencia a la corrosión y maquinabilidad.

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Un uso adicional del plomo es como un lubricante sólido para operaciones de formado de metal en caliente. Debido a su toxicidad, sin embargo, resulta una preocupación importante la contaminación del entorno por plomo (causando envenenamiento por plomo).

El mineral fuente de importancia para el plomo es la galena (PbS). Se beneficia, se funde y se refina mediante tratamientos químicos.

2.2-Estaflo _____

Aunque se utiliza en pequeñas cantidades, el estaño (Sn, del latín "stannum") es un metal importante. El uso más importante del estaño, un metal blanco plateado y lustroso es como un recubrimiento

protector en hojas de acero (hojalata) que se utiliza para la fabricación de recipientes (latas) para alimentos y para varios productos.

La reducida resistencia al corte de los recubrimientos de estaño en la hoja de acero, mejora su desempeño en embutido profundo y en embutido en general. A diferencia de los aceros galvanizados, sin embargo, si este recubrimiento es perforado al igual que el recubrimiento de zinc, entonces es el acero el que se corroe, ya que el estaño es catódico en relación al acero.

Se utiliza el estaño sin alear en aplicaciones como material de recubrimiento para plantas de destilación de agua y como una capa fundida de metal sobre la cual se fabrica el vidrio en hoja. Las aleaciones en base a estaño (también conocidas como metales blancos), por lo general contienen cobre, antimonio y plomo. Los elementos de aleación imparten dureza, resistencia mecánica y resistencia a la corrosión.

Debido a sus bajos coeficientes de fricción, resultado de una baja resistencia al corte y reducida adherencia, algunas aleaciones de estaño se utilizan como materiales para cojinetes.

El estaño es un elemento de aleación para aleaciones dentales y para el bronce (aleación de cobre y estaño), y las aleaciones de titanio y zirconio. Las aleaciones de estaño y plomo son materiales comunes de soldadura, con amplia gama de composiciones y de puntos de fusión.

2.3- METALES PRECIOSOS: El oro, la plata y el platino

El oro, la plata y el platino son los metales preciosos (esto es costosos) de mayor importancia; también se conocen como metales nobles. Son el oro y la plata los que ocupan las principales posiciones en la tabla como conductores térmicos y eléctricos junto al cobre.

a. Oro (Au, del latín "aurum") es blando y dúctil, y tiene una buena resistencia a la corrosión a cualquier temperatura. Las aplicaciones típicas incluyen joyería, acuñado, reflectores, hoja de oro para fines decorativos, trabajos dentales, electrodeposición y contactos y terminales eléctricas. b. Plata (Ag, del latín "argentum") es un metal dúctil, y tiene la conductividad eléctrica y térmica más elevada de todos los metales. Desarrolla, sin embargo, una película de óxido que afecta sus características superficiales y su apariencia. Las aplicaciones típicas para la plata incluyen artículos de mesa, joyería, acuñado, electrodeposición, película fotográfica, contactos eléctricos, soldaduras, recubrimientos de cojinetes, equipo para alimentos y productos químicos. La plata Sterling es una aleación de plata y de 7.5% de cobre.

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Este es un grupo de metales no ferrosos aleados de uso en alta industrialización y tecnología de desarrollo específicos y puntuales y de poco o ningún acceso a nivel local o nacional, salvo productos o piezas semielaboradas.

Las superaleaciones son importantes en aplicaciones de alta temperatura; de ahí que también sean conocidas como aleaciones resistentes al calor o como de alta temperatura. Las aplicaciones principales de las superaleaciones se encuentran en los motores a chorro y en las turbinas de gas; otras aplicaciones son motores reciprocantes, motores a reacción, en herramientas y dados para el trabajo en caliente de los metales, y en las industrias nuclear, química y petroquímica. En general las superaleaciones tienen una buena resistencia a la corrosión a la fatiga mecánica y térmica, al impacto mecánico y térmico, a la fluencia y a la erosión a temperaturas elevadas.

Estas aleaciones se conocen como superaleaciones base hierro, base cobalto o base níquel (recordemos que "base" se define también como matriz que es el elemento mayoritario en las fases de la aleación relación en porcentaje soluto / solvente (Unidad N°3). Contienen níquel, cromo, cobalto y molibdeno como los principales elementos de aleación; otros elementos de aleación son el aluminio, el tungsteno y el titanio. En general las superaleaciones se identifican mediante nombres comerciales o mediante sistemas de numeración especial, y están disponibles en una diversidad de formas. La mayor parte de las superaleaciones tienen una temperatura máxima de servicio de aproximadamente 1000° C en aplicaciones estructurales. En el caso de componentes no sujetos a carga las temperatura pueden ser tan altas como 1200° C.

b. Las superaleaciones base cobalto generalmente contienen de 35 a 65% de cobalto, de 19 a 30% de cromo y hasta un 35% de níquel. El cobalto (Co) es un metal color blanco que se parece al níquel. Estas superaleaciones no son tan resistentes como las superaleaciones base níquel, pero conservan su resistencia a temperaturas más elevadas. c. Las superaleaciones base níquel son las superaleaciones más comunes. Estando disponibles en una amplia variedad de composiciones. La proporción de níquel va desde 38 a 76%; también contienen hasta 27% de cromo y 20% de cobalto. Las aleaciones comunes de este grupo son las series Hastelloy, Inconel, Nimonic, Rene, Udimet, Astroloy y Waspaloy.

3.1- BERILIO (1277° O

De color gris acero, el berilio (Be) tiene una elevada relación de resistencia a peso. Se utiliza el berilio sin alear en las toberas de los cohetes, en las estructuras espaciales y de misiles, en los frenos de disco de aeronaves y en instrumentos y espejos de precisión. Debido a su baja absorción de neutrones, se utiliza en aplicaciones nucleares y de rayos X.

El berilio es también un elemento de aleación, y sus aleaciones de cobre y níquel se utilizan en aplicaciones que incluyen resortes (berilio y cobre), contactos eléctricos y herramientas libres de chispa eléctrica para su uso en ambientes explosivos como minas y la producción de polvos de metal.

El berilio y su óxido son tóxicos; no debe inhalarse el polvo y humo asociados.

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3.2-CROMO (1875 "O

Al cromo lo conocen los Diseñadores Industriales como un recubrimiento de acabado decorativo metálico que también proporciona resistencia a la corroción. El cromo se utiliza para endurecer al acero, mejorar su resistencia a la abrasión y al desgaste, así como para dar resistencia a la corrosión (releer unidad 4C aceros inoxidables).

3.3- METALES REFRACTARIOS v SUS ALEACIONES

Existen cuatro metales refractarios: el molibdeno, el niobio, el tungsteno y el tantalio; se llaman refractarios en razón a su elevado punto de fusión. Aunque estos elementos refractarios fueron descubiertos aproximadamente hace 200 años (y desde entonces han sido utilizados como importantes elementos de aleación en aceros y en superaleaciones), su uso como metales y aleaciones de ingeniería no se inició sino hasta aproximadamente en la década de 1940.

En un grado elevado que la mayor parte de otros metales y aleaciones, estos metales mantienen su resistencia a temperaturas elevadas. Son, por tanto, de gran importancia y uso en motores a reacción, turbinas de gas y otras aplicaciones aerospaciales, en las industrias electrónica, de energía nuclear y química, y como materiales para herramientas y dados. El rango de temperatura para algunas de estas aplicaciones es del orden de 1100° C - 2200°, donde la preocupación principal es la resistencia mecánica y la oxidación.

Molibdeno

El molibdeno (Mo), un metal blanco plata, fue descubierto en el siglo XVIII. Tiene un elevado punto de fusión, un elevado módulo de elasticidad, buena resistencia al choque térmico y una buena conductividad eléctrica y térmica. El molibdeno es el metal refractario de mayor uso. Entre las aplicaciones típicas del molibdeno se encuentran los cohetes de propulsantes sólidos, los motores a chorro, las estructuras en panal, los componentes electrónicos, los elementos calefactores y los troqueles o dados para la fundición a presión.

Los principales elementos de aleación para el molibdeno son el titanio y el zirconio. Es también por sí mismo un elemento de aleación importante, en aleaciones de fundición y forjadas de aceros y en aleaciones de resistencia térmica alta; imparte resistencia, tenacidad y resistencia a la corrosión. Una desventaja importante de las aleaciones de molibdeno es su baja resistencia a la oxidación a temperaturas superiores a 500° C, lo que obliga al uso de recubrimientos protectores.

Niobio (Columbio).

El niobio (Nb, por niobio, en honor a Niobe, la hija del mítico rey griego Tántalo; también conocido como columbio, en razón a su mineral fuente, la columbita) posee buena ductilidad y formabilidad, teniendo una mayor resistencia a la oxidación que otros metales refractarios. Utilizando varios elementos de aleación, se pueden producir aleaciones de niobio con una resistencia moderada y buenas características de fabricación. Estas aleaciones se utilizan en cohetes y misiles así como en aplicaciones nucleares, químicas y de superconductores.

El niobio, identificado por vez primera en 1801, también es un elemento aleante en varias aleaciones y superaleaciones. Se procesa a partir de minerales por reducción y refinamiento ya partir de polvos mediante la fusión y el vaciado en lingotes.

Tungsteno

El tungsteno (W, por su nombre europeo, debido a su mineral fuente, la wolframita; en sueco, tung significa pesado y sten piedra) fue identificado por primera vez en 1781; es el más abundante de todos los metales refractarios. El tungsteno tiene el punto de fusión más elevado de todos los metales, y, como resultado, se caracteriza por una elevada resistencia a altas temperaturas. Por otra parte, tiene alta densidad, es frágil a temperaturas bajas y ofrece poca resistencia a la oxidación.

El tungsteno y sus aleaciones se utilizan para aplicaciones que involucran temperaturas por encima de los 1650° C, como son los recubrimientos en la garganta de las toberas de los misiles y en la partes más calientes de los motores a chorro ya reacción, en los cortacircuitos, los electrodos de soldadura y en los electrodos de las bujías. El alambre de filamentos en los bulbos (focos) de luz incandescente que son fabricados de tungsteno puro; se fabrican mediante metalurgia de polvos y técnicas de estirado de alambre.

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Debido a su elevada densidad, el tungsteno es utilizado como el material de los contrapesos en sistemas mecánicos, incluyendo los relojes automáticos. El tungsteno es un elemento importante en los aceros para herramienta y dados, impartiendo resistencia y dureza a temperaturas elevadas. El carburo de tungsteno, con el cobalto como aglutinante para las partículas de carburo, es uno de los materiales para herramientas y dados de mayor importancia. El tungsteno es procesado a partir de concentrados de mineral mediante descomposición química y después es reducido. Posteriormente se le procesa mediante técnicas de metalurgia de polvos en una atmósfera de hidrógeno.

3.4- TITANIO v ALEACIONES DE TITANIO

El titanio 1688° C (Ti), Aunque es costoso, su elevada relación resistencia a peso y su resistencia a la corrosión a la temperatura ambiente y elevada, lo hacen atractivo para muchas aplicaciones. Estas incluyen aeronaves, componentes de motores a chorro, autos de carrera, componentes para la industria química, petroquímica, aplicaciones marinas, cascos de submarino y biomateriales como son los implantes ortopédicos. Se han desarrollado las aleaciones de titanio para servicio a 550° C durante largos periodos de tiempo y hasta 750° C durante periodos más breves.

El titanio no aleado, conocido como titanio comercialmente puro, tiene una excelente resistencia a la corrosión para aplicaciones donde la consideración de resistencia es secundaria. Se agregan elementos de aleación como el aluminio, el vanadio, el molibdeno, el manganeso y otros a las aleaciones de titanio, a fin de impartir propiedades como son una mejor capacidad de trabajado, una mayor resistencia y una mayor capacidad de endurecimiento.

Las propiedades y las características de manufactura de las aleaciones de titanio son extremadamente sensibles a pequeñas variaciones tanto en los elementos aleantes como en los residuales. Por lo tanto, es importante el control de la composición y del procesamiento, especialmente la prevención de la contaminación superficial por hidrógeno, oxígeno p nitrógeno durante el procesamiento. Estos elementos causan la fragilización del titanio reduciendo en consecuencia la tenacidad y la ductilidad.

La estructura cúbica centrada en el cuerpo del titanio (titanio beta, por encima de 880° C es dúctil, en tanto que la estructura hexagonal compacta (titanio alfa) es algo frágil y muy sensible a la corrosión por esfuerzo. Se pueden obtener toda una variedad de otras estructuras (alfa, casi-alfa, alfa-beta y beta) mediante aleaciones y tratamiento térmico, a fin de optimizar las propiedades para aplicaciones específicas.

Entre los desarrollos recientes se encuentra el conocido como intermetálicos de aluminiuro de titanio, TiAl y TÍ3A1. Éstos tienen mayor rigidez y menor densidad que las aleaciones convencionales de titanio, y pueden soportar temperaturas más elevadas.

Ejemplo de fijación para fractura compleja de húmero con placa de osteosíntesis en titanio al igual que los elementos de fijación.

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4.- PROCESOS DE COFORMADO PARA PIEZAS NO FERROSAS:

En cuanto a las posibilidades de conformación de piezas en metales no ferrosos, encontramos que estos pueden manufacturarse en los tres estados básicos de la materia. La gran mayoría de esos procesos de conformado son los mismos que hemos vistos para los ya estudiados metales ferrosos, como fundición en arena, forja, repujado, estampado, etc., como vemos en el siguiente esquema. En esta oportunidad veremos solamente aquellos procesos que son exclusivos para estos metales y que se da por sus bajos puntos de fusión que puedan ser moldeados en moldes permanentes de acero como los procesos de fundiciones a presión o en estado plástico como la extrusión.

Fundiciones y generalidades:

En la Unidad 4A estudiamos los diferentes métodos de conformado de metales ferrosos en estado líquido, en esta unidad veremos solamente las diferencias más importantes que hacen a la condición de metal que no posee fundamentalmente hierro y carbono, ya que por sus características químicas de mayor densidad y peso y propiedades mecánicas de alta dureza y fragilidad se diferencia radicalmente de los metales no ferrosos por tener estos menores puntos de fusión, densidad, peso específico y propiedades de mayor ductilidad y maleabilidad.

La condición de conformado en estado líquido en los metales no ferrosos, a diferencia de los ferrosos, radica principalmente en las contracciones o reducciones geométricas de la pieza física en su proceso de cambio de estado de líquido a sólido, este proceso de cambio de temperatura desde su punto de fusión a temperatura ambiente varía considerablemente con respecto a las fundiciones ferrosas, el sistema hierro - carbono tiene menor índice de contracción y rechupe, los no ferrosos tienen mayor índice de contracción y rechupe debido a varios factores como los aleantes intervinientes, su baja densidad, la ausencia total de carbono como agente de retención de contracción y por el tipo de molde a utilizar; la colada en coquilla evita grandes contracciones debido a que la coquilla no se "Mueve" conforme lo solicita la contracción del metal en su proceso de enfriamiento, y por utilizarse menores espesores de pared; mientras que en moldes desechables como el moldeo en tierra sí permite la contracción y reducción de la pieza ya que la tierra al tener menor dureza que una coquilla permite acompañar el corrimiento del metal y la deformación o reducción.

Recordamos entonces que para los procesos de conformado de metales no ferrosos basta estudiar los procesos vistos por conformado líquido, plástico y sólido en ferrosos al igual que sus requisitos de diseño, la variable pasa por los valores detallados en las tablas de propiedades mecánicas de pruebas de tensión donde muestran en comparación con los ferrosos que los no ferrosos por tener inferiores índices de dureza requieren de menor energía para estampado, troquelado, embutido, repujado y forja, pero pueden llegar a competir con grandes resistencias al ser fundidos a presión alta como la inyección lo que da por resultado piezas muy resistentes, alta precisión, complejidad formal y espesores mínimos.

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índices de Contracción:

Contracción. A fin de evitar la reducción de la pieza por contracción deberán existir tolerancias de sobre-dimensionamiento como vemos en el cuadro siguiente. Recordemos las contracciones entre metales ferrosos y no ferrosos más usuales en fundición:

Sobre - dimensionamientos de modelos para fundición en tierra de no ferrosos:

Las dimensiones del modelo deben prever la contracción durante la solidificación y el enfriamiento. Las holguras por contracción, también conocidas como tolerancias de contracción del fabricante del modelo, usualmente están en el rango de alrededor de 2 a 5 mm para modelos pequeños a medianos de 5 a lOmm para modelos medianos a grandes y de 10 mm a 20 mm para modelos grandes que superen el metro de longitud. La tabla anterior contiene las tolerancias normales por contracción de los metales comúnmente fundidos en arena.

Los volúmenes de material siempre deben evitarse, a menos que se necesite peso, pero esto provoca mayor contracción y rehundidos (rechupes). Las nervaduras y costilla ayudan al tiempo que reducen peso y mantienen la resistencia mecánica de la pieza a menor peso.

El espesor mínimo de una costilla es de 3 mm para piezas pequeñas y el máximo unos 30 mm para piezas grandes, siempre y cuando sea proporcional al volumen de la pieza y sus dimensiones constantes y fluidas (utilizar siempre en el plano técnico cuando se diseñan los espesores de pared el método de las circunferencias).

Modelos básicos de diferentes tipos de contracción:

Imaginemos un mismo material (aluminio), un mismo proceso (fundición), un mismo método de moldeo, molde de tierra y modelo recuperable, y diferentes variantes en el modelo que evitan la contracción:

A) Este es el caso de mayor contracción, una superficie laminar o placa donde su superficie es totalmente lisa y su morfología paralela al plano horizontal del molde, recordemos que la contracción siempre se produce desde el borde perimetral de la pieza hacia el centro de la pieza, debido al contacto del metal con las paredes frías del molde y por su rápida transferencia de energía calórica del metal al molde, por ende el metal mas contenido en esta sucesión de enfriamientos por capas (crecimiento de dendritas) desde fuera hacia adentro es lo que produce la contracción y su rechupe en el centro superior geométrico de la pieza por ser la última zona en enfriarse:

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B) En el siguiente ejemplo la figura posee geometrías que se sitúan en el centro de la pieza o cerca de el y por consiguiente la contracción perimetral es igual que en el caso anterior, ya que la última zona en enfriarse sigue siendo la zona central de la pieza.

C)Es este último caso se puede observar que la geometría de la pieza al poseer entradas al molde en las zonas perimetrales de la geometría, trabajan estas como freno a la contracción ya que al estar estas placas verticales sin importar su altura, (de tener menos dimensión cumple la misma función de freno a la contracción), este caso sería el de menor contracción, por ende siempre que se pueda deben diseñarse algunos rebordes o de lo contrario sirve para comparar entre estos tres ejemplo y calcular aproximadamente la contracción desde su geometría de cuerpos centrados o perimetrales.

4.1- FUNDICIÓN EN MOLDE RÍGIDO A PRESIÓN:

En los procesos de fundición en molde permanente (acero) encontramos al más básico definido como colada por gravedad en coquilla metálica y que ya hemos visto en la unidad 4A (pag. 19), el metal fundido ñuye hacia el interior de la cavidad del molde por caída libre.

En los procesos de fundición que diferenciamos aquí por ser muy utilizados en los no ferrosos los debemos distinguir por utilizarse ahora la presión. Los procesos que utilizan la presión para ingresar en forma forzada el metal a la matriz son básicamente los siguientes:

A)-Fundición por vaciado a baja presión. B)-Fundición por alta presión o inyección. De Cámara Caliente

De Cámara Fría

A)- Fundición por vaciado a baja presión:

Estos procesos también llamados fundición por vaciado a presión o de baja presión, el metal fundido es obligado a fluir hacia arriba por presión de gas en un molde de grafito o de metal. La presión se mantiene hasta que el metal se haya solidificado totalmente dentro del molde. El metal fundido también puede ser obligado a fluir hacia arriba mediante un vacío, que también elimina los gases disueltos y produce una fundición con menor porosidad.

La fundición a presión por lo general se utiliza para fundiciones de alta calidad de piezas medianas a grandes, complejas de espesores continuos lúe promedian los 3 mm.

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Gráfico que muestra el proceso de colada a presión del metal desde el crisol ubicado debajo de la matriz.

Piezas varias hechas a presión de tamaños diferentes y complejidades diferentes en aluminio

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FUNDICIÓN POR ALTA PRESIÓN O INYECCIÓN EN MATRIZ:

El proceso de inyección en matriz, desarrollado a principios de los años de 1900, es un ejemplo adicional de la fundición en molde permanente. El metal fundido es forzado dentro de la cavidad de la matriz a presiones que van de 0.7 MPa a 700 MPa. El término europeo de fundición en matriz a presión o simplemente fundición en matriz, que se describe en esta sección no debe confundirse con el término de fundición a presión.

Las piezas típicas que se fabrican mediante la inyección en matriz son componentes para motores, máquinas para oficina y enseres domésticos, herramientas de mano y juguetes. El peso de las piezas fundidas va desde menos de 100 grs. a aproximadamente 25 kg.

BVFundición por alta presión o invección de Cámara CALIENTE:

Mediante este proceso usualmente se funden aleaciones de bajo punto de fusión como las de zinc, magnesio, estaño y plomo.

El "proceso de cámara caliente" involucra el uso de un pistón, que atrapa un cierto volumen de metal fundido y lo obliga a pasar a la cavidad de la matriz de vaciado a través de un cuello de cisne y una tobera. Las presiones de inyección son de hasta 35 MPa, con un promedio de aproximadamente 15 MPa.

El metal se mantiene a presión hasta que solidifica en matriz de vaciado. Para mejorar la vida de la matriz y ayudar con un rápido enfriamiento del metal (reduciendo por tanto el tiempo del ciclo de colada), las matrices de vaciado usualmente son enfriadas por agua o aceite en: circulación a través de varios canales en el interior de la matriz colada.

Los tiempos del ciclo van desde 200 a 300 inyecciones (individuales) por hora para el zinc, aunque componentes muy pequeños como los dientes de cierres de cremallera se pueden fundir a una velocidad de 18000 inyecciones por hora.

Ventajas de la cámara caliente sobre la cámara fría

• Ciclos cortos, comenzando por menos de 1 segundo para componentes de zinc diminutos. • Control preciso de la temperatura del metal, que mejora la fluidez, y permite que las presiones de

inyección sean menores, lo que somete a los equipos a menores esfuerzos. Una mejor fluidez proporciona un mejor llenado de la cavidad, produce piezas más compactas, y permite paredes de menor espesor y mayor precisión dimensional.

• El cilindro sumergido de la colada (sifón), que se llena automáticamente, elimina la variación, acorta el tiempo del ciclo, y facilita el control de la temperatura del metal.

• No se produce enfriamiento de la carga (colada calculada), como puede ocurrir cuando se transfiere metal fundido al cilindro de la colada de una máquina de cámara fría.

• El metal fundido es sometido a una menor oxidación y a menos contaminantes provenientes de la exposición a la atmósfera.

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Imágenes de piezas de alta precisión y constante como así reducido espesor y tolerancias reducidas.

Desventajas del proceso de cámara caliente

• Limitaciones, ya que las aleaciones de aluminio o de zinc-aluminio, y ciertas aleaciones de magnesio, pueden ser procesadas solamente en cámara fría.

• Se pueden alcanzar presiones de inyección y velocidades más bajas, por lo que las piezas fundidas pueden ser menos compactas.

• Mayores costos de mantenimiento.

BVFundición por alta presión o invección de Cámara FRÍA:

El metal fundido se vacía en el cilindro de inyección (cámara de inyección). La cámara de inyección no es calentada, de ahí el término cámara fría. El metal fundido es forzado en la cavidad de la matriz de vaciado a presiones en un rango usualmente de 20 MPa a 70 MPa, aunque pueden ser tan altas como 150 MPa (20 k si). Las máquinas pueden ser horizontales o vertical, en cuyo caso la cámara de inyección es vertical y la máquina es similar a una prensa vertical.

Esquema de Máquina de inyección en matriz de cámara fría. Estas máquinas son grandes en comparación con el tamaño de las piezas fundidas porque se requieren de fuerzas grandes para mantener las dos

mitades de las matrices cerradas.

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Las aleaciones de alto punto de fusión como las de aluminio, magnesio y cobre normalmente se funden utilizando este método, aunque también otros metales se pueden colar de esta manera (incluyendo metales ferrosos). Las temperaturas del metal fundido van desde los 600° C para el aluminio y ciertas aleaciones de magnesio, y aumentan de manera considerable para aleaciones de cobre y hierro.

Ventajas de la cámara fría sobre la cámara caliente

• Hay aleaciones tales como las de aluminio o de zinc-aluminio, y ciertas aleaciones de magnesio, pueden ser procesadas solamente en cámara fría.

• Se pueden lograr mayores presiones y velocidades de inyección que producen piezas más compactas. • Menores costos de mantenimiento.

Desventajas del proceso de cámara fría

• Ciclos más largos. • Menor control sobre la temperatura del metal, menor fluidez y menos posibilidades de fundir paredes

de poco espesor. • La carga (colada calculada) se enfría antes de la inyección. • El metal fundido está expuesto a la oxidación y a los contaminantes provenientes de la atmósfera.

Capacidades Generales del proceso de fundición a presión:

El diseño incluye ángulos de salida para permitir la extracción de la pieza fundida. El distribuidor y los canales de alimentación pueden ser retirados ya sea manualmente o utilizando troqueles de corte en una prensa. La totalidad del proceso de inyección en matriz y las operaciones de acabado pueden automatizarse de manera importante. A menudo se aplican lubricantes (agentes separadores) como finos recubrimientos en la superficie de las matrices de colada.

La inyección en matriz tiene la capacidad de producción rápida de piezas resistentes de alta calidad con formas complejas.

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También imparte buena precisión dimensional y buenos detalles superficiales, de manera que las piezas requieren de poco o ningún maquinado posterior o de alguna operación de terminado (formado de forma final). Debido a las elevadas presiones involucradas, se producen paredes de hasta un espesor de 0.38 mm. Estas paredes son más delgadas que las que se obtienen utilizando otros métodos de fundición.

Quedan marcas de los eyectores, igual que pequeñas cantidades de rebaba (material delgado que ha sido extraído de entre los troqueles) en la línea de partición de la matriz.

Una pieza típica hecha por inyección de aluminio en matriz es mostrada en las imágenes anteriores; nótese la forma compleja y el fino detalle superficial.

En la fabricación de ciertas piezas, la inyección en matriz puede competir favorablemente con otros métodos de manufactura, como es el estampado de lámina, y la forja, o de otros procesos de fundición.

Además, dado que el metal fundido se enfría rápidamente en las paredes de la matriz de colado, la pieza fundida tiene una película dura de grano fino con mayor resistencia. En consecuencia, la relación de resistencia a peso de las piezas inyectadas en matriz aumenta al reducirse el espesor de las paredes. En vista del buen acabado superficial y de su precisión dimensional, la inyección en matriz puede producir superficies de rodamiento que normalmente se maquinan.

Componentes como bujes, tuercas y sujetadores roscados se pueden inyectar en matriz de manera integral. Conocido como moldeado con inserto, este proceso es similar a la colocación de palitos de madera en los helados antes de su congelación.

(a) Inserto de buje en acero moleteado para asegurar su agarre, (b) Inserto de tornillo de fijación para otra pieza con garganta para asegurar el agarre.

Para una buena resistencia en la interfaz, los insertos pueden estar moleteados, ranurados o estriados como vimos en las dos imágenes anteriores. Para la selección de los materiales de los insertos, debe tomarse en consideración la posibilidad de corrosión galvánica. Por ejemplo los insertos de acero, latón y bronce se utilizan comúnmente en aleaciones de fundición por inyección. Si la corrosión galvánica resulta un problema potencial, el inserto puede aislarse, revestirse o tratarse superficialmente.

Los costos de equipo, particularmente el costo de las matrices de inyección, es algo elevado, pero los costos por mano de obra generalmente son bajos dado que el proceso está semi o totalmente automatizado.

La inyección en matriz es económica para series de producción grandes (mínimo 3.000 mensuales). En la tabla siguiente se dan las propiedades y las aplicaciones típicas de las aleaciones comunes de inyección en matrices.

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Ventajas generales de las fundiciones a presión

Pieza brazo de sujeción y carcasa principal de estructura y contención de todo el mecanismo de un reel de pesca hecho por fundición a alta presión (inyección)

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4.2- EXTRUSIÓN: (estado plástico)

En el proceso de extrusión, una palanquilla, por lo general redonda, es forzada a pasar por una matriz o dado en forma parecida a como se exprime un tubo de pasta dental para ponerla en el cepillo. Se puede producir casi cualquier perñl transversal sólido o hueco con la extrusión, y con ella se obtienen piezas esencialmente semiacabadas. Como la geometría de la matriz no cambia durante la operación, los productos eximidos tienen sección transversal constante.

Según sea la ductilidad del material, se puede hacer la extrusión a temperatura ambiente, o a alta temperatura. Como se usa una cámara, cada lingote se extruda en forma individual, por lo que la extrusión es un proceso intermitente o semicontinuo.

Con frecuencia se combina la extrusión con operaciones de forjado, en cuyo caso se suele llamar extrusión en frío. Tiene muchas aplicaciones importantes, que incluyen tomillos y componentes para automóviles, bicicletas, motocicletas, maquinaria pesada y equipo de transporte.

Entre los productos característicos de la extrusión están los rieles para puertas corredizas, tubos de distintos perfiles transversales, perfiles estructurales y arquitectónicos y marcos para puertas y ventanas.

Los productos extruidos se pueden cortar en tramos, con lo que se transforman en piezas discretas como soportes, engranajes. Los materiales que se extrudan con frecuencia son el aluminio, cobre, acero, magnesio y plomo (los tubos de plomo se fabricaban por extrusión en el siglo XVIII). También se pueden extruir otros metales y aleaciones, con distintos grados de dificultad.

Imágenes que muestran la utilización de la extrusión de un perfil de aluminio y posteriormente rolado para conformar el aro o llanta de ruedas de bicicletas.

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CONSIDERACIONES DE DISEÑO PARA PERFILES DE EXTRUSIÓN DE ALUMINIO

Método para diseñar un perfil extruído (Método DCC)

Un parámetro que describe la forma del producto extruido es el diámetro del círculo circunscrito (DCC), el del círculo más pequeño en el que cabe el perfil extruido. Así, para un perfil cuadrado el DCC es la longitud de su diagonal. La complejidad de una extrusión es función de la relación del perímetro del producto extruido entre su área transversal, y se llama factor de forma. Es obvio que una extrusión redonda sólida tiene el factor de forma mínima, mientras que las piezas que se ven en la figura anterior tienen mayores factores de forma (a,b,c).

Por la fricción y la severidad de la deformación, son más difíciles de producir las extrusiones de paredes delgadas que las de paredes gruesas. En general, el espesor de la pared se limita a 1 mm en el aluminio, a 3 mm en los aceros al carbono, y a 5 mm en los aceros inoxidables.

Ejemplos de lo incorrecto y lo correcto en los cortes transversales de piezas por extruir. Nótese la importancia de eliminar aristas agudas, y de mantener uniformes los espesores de la sección.

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ESPESORES MÍNIMOS Para el diseño de los perfiles, se deberá contemplar un espesor mínimo de 1 milímetro.

ÁNGULOS VIVOS Y RADIOS Es importante tener en cuenta que, para los perfiles de aluminio, lo que se designa frecuentemente bajo el nombre de "ángulo vivo" es en realidad un radio del orden de 0,3 mm. No es posible descender por debajo de este valor a causa de la fragilidad de las herramientas.

LONGITUD DE LOS PERFILES La longitud máxima de los Perfiles de Aluminio es de 6600 milímetros, aunque el largo más utilizado es de 6030 milímetros, ya que resulta muy apropiado para el transporte de los mismos en camiones.

TOLERANCIAS DIMENSIONALES Diremos, a título de ejemplo, que las tolerancias dimensionales de los anchos y de los espesores varían: de +/- 0,2 mm. para una medida nominal de 3 mm. a +/- 1,45 mm. para una medida nominal de 180 a 250 mm.

TOLERANCIA EN LOS RADIOS La tolerancia en los radios varía: de +/- 0,4 mm. para un radio mínimo de 3 mm. a +/- 7,0 % para radios de 6 a 10 mm.

TOLERANCIA DE ÁNGULO La tolerancia de ángulo varía de lo a 2o.

TOLERANCIA DE RUGOSIDAD La rugosidad de la superficie (rayas de extrusión) admisible varía: de +/- 0,06 mm. para espesores inferiores a 1,6 milímetros. a +/- 0,20 mm. para espesores superiores a 1,6 milímetros.

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SERIES DE PRODUCCIÓN PARA LOS PROCESOS VISTOS Y OTROS A COMPARAR:

Como ya vimos en la unidad 4A procesos en estado líquido de metales ferrosos, aquí acentuamos en el uso de no ferrosos a la inyección en matriz ya sea en cámara caliente cono en cámara fría, que la serie de producción es considerablemente mas alta que todos los demás procesos ya estudiados, salvando el moldeo por revestimiento cerámico que es un proceso poco usual en nuestro país por la cantidad de pasos que se deben realizar para llevarlo a cavo entre otras cosas.

El presente apunte fue realizado utilizando las siguientes bibliografías: Manufactura ingeniería y tecnología: Kalpajian - Schimid 2002 Diseño Industrial: Guia de materiales y procesos de manufactura . Jim Lesko. Ed Limusa Wiley 2004

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