Introducción 1. Materiales

1.1. Tipos de Materiales en Manufactura, Comportamiento y Aplicaciones 1.2. Estructura Cúbica Centrada en el Cuerpo

2. Propiedades Mecánicas de los Materiales 2.1. Ensayo de Tracción 2.2. Ensayo de Compresión 2.3. Ensayo de Dureza 2.4. Ensayo de Flexión

2.4.1. Propiedades Elásticas de los Materiales 2.4.2. Práctica de la Ley de Hook 2.4.3. Problemas de Cálculo de Esfuerzos

2.5. Ensayo de Impacto 2.6. Ensayo de Torsión 2.7. Ensayo de Termofluencia 2.8. Pruebas de Corrosión 2.9. Pruebas No Destructivas 2.10. Resumen

3. Propiedades Eléctricas y Magnéticas de los Materiales 3.1. Propiedades Eléctricas

3.1.1. Conductores 3.1.2. Semiconductores 3.1.3. Aislantes 3.1.4. Superconductores. 3.1.5. Aplicaciones Industriales.

3.2. Propiedades Magnéticas 3.2.1. Tipos de Comportamiento 3.2.2. Aplicaciones Industriales

4. Proceso de Reducción del Mineral de Hierro y de Refinación del Hierro y Acero 4.1. Proceso de Reducción Directa 4.2. Clasificación de los Hornos usados para la Fusión de Metales 4.3. Tipos Básicos de Hierro

4.3.1. Hierro Fundido, Clases y Características 4.3.2. Hierro Dulce, Características y Método de Obtención

4.4. Clasificación del Acero 4.4.1. Aceros al Carbono 4.4.2. Aceros de Baja Aleación 4.4.3. Aceros Inoxidables 4.4.4. Aceros de Herramienta

5. Procesos de Fabricación de Piezas Fundidas 5.1. Fundición en Arena

5.1.1. Tipos de Modelos y Corazones 5.1.2. Modelos Removibles 5.1.3. Modelos Desechables 5.1.4. Materiales y Tolerancias Utilizados 5.1.5. Mezclas para Corazones 5.1.6. Tipos de arenas

5.1.6.1. Aglutinantes. 5.1.6.2. Pruebas de Arena

5.1.7. Fabricación de Moldes

5.1.7.1. Tipos de Moldes 5.2. Procesos de Fundición en Moldes Desechables

5.2.1. Moldeo en Concha 5.2.2. Fundición por Revestimiento 5.2.3. Fundición de Yeso y Cerámica

5.3. Procesos de Fundición en Molde Permanente 5.3.1. Variantes de la Fundición en Molde Permanente 5.3.2. Fundición en Dados (Matrices) 5.3.3. Fundición por Electroescoria 5.3.4. Fundición Centrifuga

5.4. Procesos de Fundición Continua 5.4.1. Molde Alternativo 5.4.2. Proceso Asarco 5.4.3. Molde de Latón 5.4.4. Enfriamiento Directo

6. Tratamientos Térmicos Aplicados en Ingeniería 6.1. Diagramas de Fases

6.1.1. Diagramas de Fases Hierro-Carbono 6.1.2. Regla de la Palanca Invertida 6.1.3. Microconstituyentes

6.1.3.1. Austenita 6.1.3.2. Cementita 6.1.3.3. Perlita 6.1.3.4. Bainita

6.2. Tratamientos Térmicos Típicos 6.2.1. Templado 6.2.2. Revenido 6.2.3. Recocido 6.2.4. Normalizado 6.2.5. Esferoidizado 6.2.6. Precipitación 6.2.7. Endurecimiento por Solución Sólida 6.2.8. Endurecimiento por Dispersión 6.2.9. Endurecimiento por Deformación

6.3. Tratamientos Térmicos Típicos 6.3.1. Cementación 6.3.2. Carbonitrurado 6.3.3. Cianurado 6.3.4. Nitrurado

1. Materiales 1.1. Tipos de materiales en manufactura, comportamiento y aplicaciones

Los materiales se clasifican según sus características físicas y químicas, los cuales se encuentran en tres grandes tipos como lo son:

a) Metales Estos materiales se caracterizan por su alta conductividad térmica y eléctrica Son opacos y por lo general pueden ser pulidos. Los metales deben su comportamiento al hecho de que algunos electrones están deslocalizados y pueden abandonar sus átomos paternos, es decir pueden transferir rápidamente una carga eléctrica así como térmica. Posee una gran ductilidad lo que le permite deformarse poco frente a grandes cargas. En la naturaleza se encuentran presentes como metales ferrosos: alto contenido de Fierro, como el acero y el hierro; y los no ferrosos es decir que no contiene Fierro como el zinc, estaño y cobre. Aplicaciones:

• Utensilios de cocina • Industriales • comerciales b) Cerámicos

Son de origen inorgánico, tienen una estructura de red covalente, normalmente estos materiales son duros, quebradizos y estables. Los átomos que lo forman están apilados en una distribución regular y repetitiva, es por eso su estructura cristalina. Son superconductores del calor. Aplicaciones:

• Aeronáutica • Fabricación de material químico • Industriales c) Polímeros

Comúnmente llamados plásticos, son moléculas de cadena larga formada por muchos monómeros entre sí; dúctiles tienen bajo costo de aplicaciones utilizan como aislantes tanto térmicos como eléctricos. Son reflectores de luz, tendiendo a ser transparentes, la mayoría sujetos a deformación, su conductividad térmica y eléctrica son limitadas ya que toda la energía térmica debe ser transferida de regiones calientes a las frías por medio de vibraciones atómicas. Aplicaciones:

• Pinturas • Caucho • Aislantes térmicos y eléctricos d) Compuestos.

Formados por una combinación de elementos en una proporción definida. Obtenida por la combinación de dos o más materiales diferentes. Un material compuesto puede presentar propiedades mecánicas y físicas especiales, ya que combina las mejores propiedades de sus componentes y suprime sus defectos. Aplicaciones: La oportunidad para desarrollar productos para la industria del motor y la ingeniería aeroespacial, así como otros usos recreativos, han mantenido el interés en este tipo de materiales.

1.2 ESTRUCTURA CÚBICA CENTRADA EN EL CUERPO.

.

2. PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS MATERIALES

2.1. ENSAYO DE TRACCIÓN. Son dos fuerzas en sentido de alejarse de la barra, éstas están actuando a lo largo del cuerpo (tracción), su magnitud es igual pero su sentido es opuesto, ejerciendo así una fuerza en el centro de las secciones.

2.2. ENSAYO DE COMPRESIÓN.

Las fuerzas actúan hacia el centro de la barra provocando un cambio en la estructura del material. La compresión es una presión que tiende a causar una reducción de volumen. Cuando se somete un material a una fuerza de flexión, cizalladura o torsión, actúan simultáneamente fuerzas de tensión y de compresión. Por ejemplo, cuando se flexiona una varilla, uno de sus lados se estira y el otro se comprime.

2.3. ENSAYO DE DUREZA. Es la capacidad que tienen los cuerpos para resistir el ser rayados en su superficie. La dureza de los materiales metálicos se mide determinando su resistencia a la penetración de una bola o un penetrador de diamante de forma especial. Los ensayos de dureza se usan comúnmente para valorar las propiedades del material. Existen una gran variedad de métodos de ensayo debido a la diferencia de las durezas de los materiales:

� Ensayo de dureza Brinell. El ensayo de dureza Brinell es ampliamente usado para probar metales y no metales de dureza media y baja. En este ensayo se presiona una bola de acero endurecido (o carburo cementado) de 10 mm. de diámetro contra la superficie de un espécimen usando una carga de 500, 1500 y 3000 Kgf. Después se divide la carga entre el área de indentacion para obtener el numero de dureza Brinell (HB) Modelo matemático para determinar la dureza Brinell. HB = 2F . p Db {Db – V(Db2 – Di 2)}

� Ensayo de dureza Rockwell En este ensayo se presiona contra el espécimen un indentador en forma de cono o una pequeña esfera (1/16 o 1/8 pulg. de diámetro) usando una carga menor a 10 Kg. después se utiliza una carga mayor de 150 Kg. La maquina ensayadora convierte esta distancia adicional en una lectura Rockwell

� Ensayo de dureza Vickers El ensayo se basa en el principio de que las impresiones hechas por este indentador tienen geometrías similares, independientemente de las cargas aplicadas HV = 1.854 F D2 D es la diagonal de la impresión

I Ensayo de dureza Knoop

Se trata de un ensayo de micro dureza y es apropiado para medir especimenes pequeños y delgados o materiales duros que podrían fracturarse si se aplicaran grandes cargas Modelo matemático para determinar la dureza Knoop. HK = 14.2 F

D2 D es la diagonal mayor

2.4. ENSAYO DE FLEXIÓN.

Las pruebas de flexión se usan como métodos simples para probar la ductilidad de los metales. En las estructuras o máquinas en servicio, la flexión puede ir acompañada del esfuerzo directo, el corte transversal, o el corte por torsión. Por conveniencia, sin embargo, los esfuerzos flexionantes pueden considerarse separadamente y en los ensayos para determinar el comportamiento de los materiales en flexión, la atención usualmente se limita a las vigas.

2.4.1. Propiedades elásticas de los materiales.

Un cuerpo elástico se define como aquel que puede recuperar su forma y tamaño originales cuando la fuerza que lo deformó deja de actuar sobre él. Las ligas de hule, pelotas de golf, pelotas de caucho son ejemplos comunes de cuerpos elásticos. La plastilina y la arcilla de modelar son ejemplos de cuerpos inelásticos. Para todos los cuerpos elásticos, será conveniente establecer relaciones de causa-efecto entre las fuerzas deformantes y las deformaciones correspondientes. x representa la deformación del resorte cuando se le aplica una fuerza F. x = F/x Esta expresión nos dice que, mientras mayor sea la constante de fuerza (K) del resorte menor será la deformación (x) que sufre al aplicarle una fuerza (F).

2.4.2. Ley de Hooke. Si un resorte montado verticalmente está sostenido de modo rígido por su extremo superior, y se le agregan pesos en su extremo inferior, la longitud en que se estire resulta proporcional al peso aplicado.

El comportamiento elástico de un material es resultado de las fuerzas entre sus moléculas y de la forma en que están organizadas. Por ello, las propiedades elásticas de un material son muy sensibles a las impurezas y a la forma de preparación del material. Si pudiéramos conocer los esfuerzos intermoleculares con precisión, podríamos calcular las propiedades elásticas de un material.

F

Esfuerzo. Es la razón de una fuerza aplicada respecto al área sobre la que actúa. Deformación. Es el cambio relativo de las dimensiones o formas de un cuerpo como resultado de la aplicación de un esfuerzo. Módulo de young.

2.4.3. Problemas de cálculo de esfuerzo.

1. ¿Cuál desarrolló mayor carga?

• Una barra de aluminio de sección transversal de 2.46 cm. x 3.07 cm.; bajo una carga de 7640 Kg. (75000N),

• Una barra de acero cuyo diámetro de sección transversal es de 1.8 cm., bajo una carga

de 5000 Kg. SOLUCIÓN: Unidades: libras/pulg. N/m2= Pascales. CÁLCULOS:

2. Se marca una longitud de 5.08 cm. en una barra de cobre. Esta se estira de modo que las marcas calibradas indiquen 5.77 cm. Calcular la deformación:

SOLUCIÓN:

3. Si el módulo de elasticidad promedio del acero utilizado es de 205,000 MPa. ¿Cuánto

deformará un cable de 2.5 mm de diámetro y 3 m de largo cuando soporta una carga de 500

Kg. (4900N) SOLUCIÓN:

4.- Un cable de cobre presenta una resistencia a la ruptura de 300 MPa y una reducción de área de 77%. Calcular:

• La verdadera resistencia a la tensión (carga de ruptura/ área verdadera). • La deformación verdadera Ev en el punto de fractura (la deformación instantánea es

igual a SOLUCIÓN:

5. Una carga de 1000 lb. (4454 N) se suspende de 2 alambres de tamaño idéntico de 0.25 in

(6.44mm) de diámetro. 6. Un alambre es de acero y el otro de aluminio. Determine la deformación axial técnica que se

produce en los alambres.

Para ambos materiales:

Cálculo de la deformación:

Práctica de la ley de Hooke. Tamaño del resorte : 10.3 cm. K = constante de fuerza del resorte P = Kx 180 = k (2.7) y = mx + b y-180 = 66.666 (x-2.7) y-180 = 66.666x -180 y =66.666x F = 66.666 x K = 66.66 kg /cm k =66.666 k = m (pendiente) m = 180 k/2.7cm m = 66.66 k/cm.

2.5. ENSAYO DE IMPACTO. Son muchos los métodos usados aunque los más comunes son el de Izod o el de Charpy. El ensayo Charpy permite calcular cuánta energía logra disipar una probeta al ser golpeada por un pesado péndulo en caída libre.

Máquina de pruebas de impacto Probetas de un ensayo de impacto

FUERZA gr. f (P)

TAMAÑO DEL RESORTE cm.

ELÓNGACIÓN cm. (x)

0 100 180 260 340 420 500

10.3 11.8 13 14.3 15.4 16.6 17.8

0 1.5 2.7 3.9 5.1 6.3 7.5

2.6. ENSAYO DE TORSIÓN El ensayo de torsión constituye una dura prueba para el metal compuesto. Dicho ensayo consiste en girar los flejes del área de unión metálica repetidas veces por su propio eje, sin que el material compuesto muestre ningún tipo de daño. Incluso el duro ensayo de choques térmicos no debe afectar la unión metálica. En dichas pruebas, el material se somete a ensayos de incandescencia de una hora de duración y a temperaturas de hasta 520ºC. A continuación, el material se enfría bruscamente en agua. Este procedimiento se repite hasta 40 veces y nunca ha provocado ninguna merma en el material. Gracias a sus buenas características, las barras de metal compuesto pueden recubrirse directamente con iridio o platino.

2.7. ENSAYO DE TERMO FLUENCIA. El ensayo de termo fluencia proporciona información sobre la capacidad de un material para soportar cargas a altas temperaturas. La rapidez de termo fluencia y el tiempo de ruptura son propiedades importantes obtenidas a partir de estos ensayos. Ensayo de termo fluencia: Comportamiento de un material cuando se aplica un esfuerzo constante a una probeta calentada a una alta temperatura.

Curva típica de termo fluencia que muestra la deformación producida como una función del tiempo para esfuerzo y temperatura constante. Ascenso de las dislocaciones: las altas tº permiten que las dislocaciones de borde del metal asciendan en una dirección perpendicular a los planos de deslizamiento, lo que provoca deformación aun con esfuerzos reducidos.

Rapidez de la Termo fluencia: es la pendiente de la porción estable de la curva de termo fluencia.(2º Etapa).

Parámetro de Larson-Miller : es usado para condensar la relación esfuerzo - temperatura - tiempo de ruptura en una sola curva.

T = tº en grados Kelvin. t = tiempo en horas A y B= constantes del material

2.8. PRUEBAS DE CORROSIÓN. Las dos áreas principales de pruebas a la corrosión son (1) pruebas de laboratorio y (2) pruebas de campo. Las pruebas de laboratorio son más formales y estandarizadas que las pruebas de campo. Las pruebas de laboratorio a la corrosión incluyen tres tipos principales de prueba. El primero es la prueba de inmersión total para el acero inoxidable y metales no ferrosos y aleaciones. El segundo es la prueba de inmersión alterna, la cual requiere inmersión cíclica y el retiro de los especimenes. Por último, cabe mencionar la prueba de aspersión con sales, la cual se lleva a cabo en una cámara cerrada que tiene una atmósfera con niebla de sal húmeda en aire. La temperatura y composición de los corrosivos deben controlarse en forma cuidadosa en las tres pruebas. Las pruebas a la fatiga también pueden realizarse en condiciones corrosivas colocando una mecha sumergida en el corrosivo, en contacto con el espécimen. En otra versión de esta prueba, el espécimen puede sumergirse en un corrosivo, el cual esta contenido en una caja a prueba de fugas. Las pruebas de este tipo se conocen como pruebas de corrosión-fatiga, y su intención es mostrar el efecto acelerador de la corrosión en la falla por fatiga. La corrosión-esfuerzo es un fenómeno en el cual la corrosión, combinada de esfuerzos estáticos a la tensión en la superficie de un objeto metálico, produce grietas. Una forma común de prueba para corrosión-esfuerzo es sumergir un espécimen tipo barra plana flexionada en el corrosivo. Los pueden calcularse mediante las dimensiones del espécimen y la extensión de la flexión. Puede resultar una tendencia hacia la corrosión-esfuerzo por los esfuerzos residuales a la tensión introducidos por las operaciones de formado en frío. Las pruebas de corrosión en campo tienen en objeto determinar la resistencia a la corrosión en condiciones ambientales que se esperan en un servicio real. Por tanto, los especimenes se montan en estantes aislados y se exponen a la atmósfera. Las pruebas se llevan a cabo en atmósferas marina y atmósferas industriales, ya que estas representan condiciones muy severas. Los especimenes montados en estantes por lo común se sumergen en agua de mar. Los especimenes también se sepultan en tierra para estudiar su resistencia a largo plazo. Ya que las composiciones de losa suelos tienen gran variación, las pruebas hechas en un sitio no pueden ser útiles para predecir el comportamiento en otro sitio. Las pruebas de corrosión en planta consisten en colocar pequeños especimenes en las piezas reales del equipo en la planta. Los resultados de las pruebas de corrosión son útiles como una ayuda en la elección de metales y aleaciones para aplicaciones particulares y como un suplemento a la información publicada sobre la actividad química de los materiales metálicos.

2.9. PRUEBAS NO DESTRUCTIVAS. Las PND son pruebas o ensayos de carácter NO destructivo, que se realizan a los materiales, ya sean éstos metales, plásticos, cerámicos o compuestos. Este tipo de pruebas, generalmente se emplea para determinar cierta característica física o química del material en cuestión. Hay varios métodos para la prueba de metales que no destruyen la probeta, entre ellos se encuentran: pruebas de inspección visual, pruebas magnéticas, pruebas fluorescentes para fisuras, pruebas

ultrasónicas, pruebas de rayos X y pruebas de rayos Gamma, prueba electromagnética, prueba de fuga, prueba acústica e infrarroja. Prueba de inspección visual: es sin duda una de las Pruebas No Destructivas más ampliamente utilizada, ya que gracias a esta, uno puede obtener información rápidamente, de la condición superficial de los materiales que se estén inspeccionando, con el simple uso del ojo humano. Durante la Inspección visual, en muchas ocasiones, el ojo humano recibe ayuda de algún dispositivo óptico, ya sea para mejorar la percepción de las imágenes recibidas por el ojo humano (anteojos, lupas, etc.) o bien para proporcionar contacto visual en áreas de difícil acceso, tal es el caso de la Inspección del interior de tuberías de diámetro pequeño, en cuyo caso se pueden utilizar baroscopios, ya sean estos rígidos o flexibles, pequeñas videocámaras, etc. Prueba magnética: Después del magnetizado, la pieza se sumerge en un baño de parafina que contiene fino polvo de hierro. si un material magnético presenta discontinuidades en su superficie, éstas actuarán como polos, y por tal, atraerán cualquier material magnético o ferromagnético que esté cercano a las mismas. De esta forma, un metal magnético puede ser magnetizado local o globalmente y se le pueden esparcir sobre su superficie, pequeños trozos o diminutas Partículas Magnéticas y así observar cualquier acumulación de las mismas, lo cual es evidencia de la presencia de discontinuidades sub-superficiales y/o superficiales en el metal. Este mecanismo puede observarse en la siguiente figura: Prueba fluorescente: esta prueba se puede usar para materiales magnéticos y no magnéticos. La pieza se sumerge en un baño que contiene material fluorescente, el cual es absorbido por cualquier fisura. El líquido excedente es eliminado y la pieza es espolvoreada con un polvo fino absorbente. Cuando la pieza se pone bajo la luz ultravioleta cualquier fisura será mostrada por la presencia de áreas de fluorescencia. Prueba ultrasónica: se basa en la generación, propagación y detección de ondas elásticas (sonido) a través de los materiales. En la figura de abajo, se muestra un censor o transductor acústicamente acoplado en la superficie de un material. Este censor, contiene un elemento piezo-eléctrico, cuya función es convertir pulsos eléctricos en pequeños movimientos o vibraciones, las cuales a su vez generan sonido, con una frecuencia en el rango de los megahertz

(inaudible al oído humano). El sonido o las vibraciones, en forma de ondas elásticas, se propaga a través del material hasta que pierde por completo su intensidad ó hasta que topa con una interfase, es decir algún otro material tal como el aire o el agua y, como consecuencia, las ondas pueden sufrir reflexión, refracción, distorsión, etc. Lo cual puede traducirse en un cambio de intensidad, dirección y ángulo de propagación de las ondas originales. Prueba por rayos x: la prueba de rayos x se realiza mediante la emisión de un haz de rayos x a través de un objeto y la sombra de la imagen se forma en una pantalla fluorescente para inspección visual o en película fotográfica si se requiere un registro permanente. Este método es extremadamente sensitivo y se pueden identificar defectos tan pequeños como el 2% del espesor total. Una forma de determinar la radiación que pasa a través de un material, consiste en colocar una película radiográfica, cuya función es cambiar de tonalidad en el área que recibe radiación. Prueba de rayos Gamma: esta prueba utiliza las propiedades radioactivas del radio o de isótopos radioactivos que emiten rayos x conforme caen. Cuando se realiza la prueba, el isótopo a una distancia predeterminada de la pieza o parte a probar de una placa fotográfica se acomoda en posición detrás de la pieza. Es necesario el uso de pantallas intensificadoras en cada lado como doble protección de la película para asegurar una máxima impresión. Prueba electromagnética: Las pruebas electromagnéticas se basan en la medición o caracterización de uno o más campos magnéticos generados eléctricamente e inducidos en el material de prueba. Distintas condiciones, tales como discontinuidades o diferencias en conductividad eléctrica pueden ser las causantes de la distorsión del campo magnético inducido. La técnica la de Corrientes de Eddy. Esta técnica puede ser empleada para identificar una amplia variedad de condiciones físicas, estructurales y metalúrgicas en materiales metálicos ferromagnéticos y en materiales no metálicos que sean eléctricamente conductores. De esta forma, la técnica se emplea principalmente en la detección de discontinuidades superficiales.

2.10. RESUMEN Los metales y aleaciones son procesados en diferentes formas mediante diversos métodos de manufactura. Cuando se aplica un esfuerzo de tensión uniaxial sobre una barra de metal, el metal se deforma elásticamente y luego plásticamente, produciendo una deformación permanente. Para muchos diseños, el ingeniero está interesado en el límite elástico, la máxima resistencia a la tensión y la elongación o ductilidad del metal o aleación. Estos valores se obtienen a partir del diagrama esfuerzo-deformación generado en un ensayo de tracción. La dureza de un metal también puede resultar de importancia en ingeniería; comúnmente, las escalas de dureza en la industria son de los tipos: Rockwell B y C y Brinell (HB). El comportamiento mecánico de los materiales se describe a través de sus propiedades mecánicas, que son el resultado de ensayos simples e idealizados. Estos ensayos están diseñados para representar distintos tipos de condiciones de carga. El ensayo de tensión describe la resistencia de un material a un esfuerzo aplicado lentamente. Entre las propiedades importantes están el esfuerzo de cedencia (el esfuerzo al cual el empieza a deformarse de manera permanente), la resistencia a la tensión (el esfuerzo que corresponde a

la carga máxima aplicada), el módulo de elasticidad (la pendiente de la porción elástica de la curva esfuerzo-deformación), y el porcentaje de elongación, así como el porcentaje de reducción de área (siendo ambos, medidas de la ductilidad del material). El ensayo de flexión se utiliza para determinar las propiedades a tensión de materiales frágiles. De ahí se puede obtener el módulo de elasticidad en flexión y la resistencia a la flexión similar a la resistencia a la tensión). El ensayo de dureza mide la resistencia de un material a la penetración y da una medida de su resistencia al desgaste y a la abrasión. Comúnmente se utilizan varios ensayos de dureza, incluyendo los ensayos Rockwell y Brinell. A menudo la dureza se relaciona con otras propiedades mecánicas, particularmente con la resistencia a la tensión. El ensayo de impacto describe la respuesta de un material a una carga aplicada rápidamente. La energía que se requiere para fracturar la probeta se mide y puede utilizarse como base de comparación de diversos materiales, probados bajo las mismas condiciones. Además, se puede determinar una temperatura de transición por encima de la cual el material fallará de manera dúctil, en vez de fallar de manera frágil. El ensayo de termo fluencia proporciona información sobre la capacidad de un material para soportar cargas a altas temperaturas. La rapidez de termo fluencia y el tiempo de ruptura son propiedades importantes obtenidas a partir de estos ensayos. 3. PROPIEDADES ELÉCTRICAS Y MAGNÉTICAS DE LOS MATERIALES.

3.1. PROPIEDADES ELÉCTRICAS. Todos los elementos de la naturaleza están compuestos de átomos y una de las partículas principales de todos los átomos son los electrones, los cuales se pueden desplazar de un átomo a otro, incluso entre materiales diferentes, formando "corrientes eléctricas" que recorren miles de kilómetros por segundo. La electricidad por lo tanto se produce, por el movimiento de electrones. Estos se mueven con dificultad en los aislantes y fácilmente en los conductores. Todos los materiales conocidos, en mayor o menor grado, permiten el flujo de la corriente eléctrica a través de ellos, sin embargo, en todos los casos, también presentan una "resistencia" al paso de dicha corriente. Mientras menos resistencia eléctrica presente un material, se considera un mejor conductor y mientras más resistencia presente será un mejor aislante.

3.2. Conductores Los materiales en los que los electrones se pueden mover de átomo en átomo muy fácilmente se llaman conductores, y son buenos conductores porque se electrizan en toda su superficie, aunque solo se frote un punto de la misma. La capa de valencia puede contener hasta ocho electrones y cualquier energía que aplique a uno de ellos se reparte entre todos los electrones de valencia. Por tanto, los átomos que tienen menos electrones de valencia, les dejarán liberarse más fácilmente. Los átomos de los conductores tienen sólo 1 ó 2 electrones de valencia. Los que sólo tienen 1 electrón de valencia, son los mejores conductores eléctricos. Si se examina la tabla periódica se pueden determinar los bueno conductores. Todos tienen un electrón en su capa exterior. La mayor parte de los metales son buenos conductores. Los más conocidos son : cobre, plata y oro, soluciones de ácidos, bases y sales disueltas en agua, así como el cuerpo humano.

3.3. Semiconductores. Puesto que los conductores tienen sus capas de valencia llenas a menos de la mitad, y los aisladores tienen las suyas llenas a más de la mitad, las substancias que tienen átomos con cuatro electrones de valencia reciben el nombre de semiconductores. Estos conducen mejor que los aisladores, pero no tan bien como los conductores. Algunos ejemplos son: el germanio,

el silicio y el selenio. Sin embargo, cuando se combinan los átomos de los semiconductores, comparten sus electrones de tal manera que se llenan las capas de valencia. Algunos materiales, como el silicio o el germanio, que tienen un número limitado de electrones libres, se comportan como semiconductores, y son la materia básica de los transistores. Clasificación de los semiconductores. La diferencia del número de electrones de valencia entre el material dopante (tanto si acepta como si confiere electrones) y el material receptor hace que crezca el número de electrones de conducción negativos (tipo n) o positivos (tipo p). Los materiales Semiconductores se clasifican de acuerdo a su pureza, tenemos materiales Intrínsecos y materiales Extrínsecos. Los materiales intrínsecos, son los que no tienen impurezas o átomos diferentes. Los materiales extrínsecos poseen impurezas o átomos diferentes a su naturaleza; los materiales intrínsecos por si solos no poseen suficientes características eléctricas para producir niveles de corriente considerables, por lo tanto se dopan de otros elementos para aumentar sus ventajas. Red cristalina de Silicio y germanio.

3.1.3 Aislantes. Los aislantes son materiales que no dejan que sus electrones se liberen fácilmente. Los átomos de los aisladores tienen capas de valencia que están llenas con 8 electrones o bien llenas a más de la mitad. Un átomo es completamente estable cuando su capa exterior está completamente saturada o cuando tiene 8 electrones de valencia. Un átomo estable resiste cualquier tipo de actividad. En efecto, no se combinará con ningún otro átomo para formar compuestos. Existen seis elementos que son naturalmente estables: helio, neón, argón, kriptón, xenón y radón. Todos los átomos que tienen menos de 8 electrones de valencia tienden a alcanzar el estado estable. Pero los que están llenos a más de la mitad (aisladores) tienden a recoger electrones para llenar la capa de valencia. Así pues, no solamente es difícil liberar a sus electrones, sino que los átomos de aisladores también se opondrán a la producción de electricidad debido a su tendencia a atrapar a cualesquiera electrones que puedan ser liberados. Los átomos con siete electrones de valencia, son los que tratan más activamente de llenar la capa de valencia y constituyen excelentes aisladores eléctricos. Los materiales aislantes o malos conductores de electricidad también llamados dieléctricos, solo se electrizan en los puntos en los que hace contacto con un cuerpo cargado o bien en la parte frotada ejemplos de estos materiales son: madera, vidrio, caucho, resinas y plásticos, porcelanas, la seda, la mica y el papel. ¿Cuál es la diferencia existente entre conductor, semiconductor y aislante?

Es sencillo, los conductores son todos aquellos que poseen menos de 4 electrones en la capa de valencia, el semiconductor es aquel que posee 4 electrones en la capa de valencia y el aislante es el que posee mas de 4 electrones en la capa de valencia.[11] 3.1.4 Superconductores Son superconductores aquellos materiales para los cuales su resistividad puede hacerse nula. En general son necesarias para que esto suceda temperaturas relativamente bajas, de entre 3º K y 100º K aproximadamente, según sea el tipo de material. A tal punto que los llamados superconductores de alta temperatura (ATS) poseen características superconductoras a temperaturas alrededor de los 100º K. También son necesarios campos magnéticos por debajo de un dado campo critico extremo, o densidades de corriente inferiores a las de su valor critico característico, a partir de los cuales desaparece el efecto superconductor.

Por lo tanto los superconductores son materiales que presentan las siguientes características: 1. Una corriente fluye sin resistencia alguna. 2. Los superconductores, son perfectamente diamagnéticos y repelen los campos magnéticos. Esta propiedad se denomina "efecto Meissner". Un campo magnético induce a una corriente en un conductor y viceversa, una corriente induce a un campo magnético. Cuando un imán se acerca a un superconductor, induce a una corriente en él. Como no existe resistencia a la corriente, sigue fluyendo, y entonces induce a un propio campo magnético que repele al campo magnético del imán. 3. Los superconductores presentan el efecto Josephson, el cuan indica que una corriente fluye entre 2 superconductores aún cuando estén separados por un material no superconductor o aislante. Se le conoce también a este efecto como "efecto túnel". 4. Los superconductores se limitan a una temperatura crítica Tc, bajo la cual únicamente, pueden presentar sus propiedades superconductoras. 5. Los superconductores tienen una corriente crítica Ic, bajo la cual pueden conducir una corriente eléctrica sin resistencia alguna.[12]

3.1.5 Aplicaciones industriales. Los superconductores tienen aplicaciones en casi cualquier área, las más destacadas son:

1. Los superconductores se pueden utilizar en el transporte levitado por electroimanes. Cuando se utilizan electroimanes para levitar un vehículo, por ejemplo trenes, para eliminar la fricción y alcanzar altas velocidades, los electroimanes pierden energía en calor. Utilizando superconductores, además de no perder energía en calor por su nula resistencia, el tamaño disminuiría notablemente.

The Yamanashi MLX01 MagLev train.

4. Otra aplicación importante y posiblemente de grandes alcances lucrativos de los superconductores son los generadores. La eficiencia de generadores superconductores rebasaría un 99% y el tamaño sería alrededor de la mitad de los convencionales. Además, cables superconductores en vez de cobre, podrían aumentar la transmisión de energía en un cable, por lo que se mejoraría hasta en un 7000% la eficiencia con respecto al espacio utilizado.

Cable superconductor

6. Militarmente, los superconductores también tienen importantes aplicaciones. SQUIDs con superconductores de alta temperatura se han usado para detectar submarinos y minas. Además, se han utilizado reducidos, en tamaño, motores para barcos navales. [13]

Motorsuperconducto

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3.2 PROPIEDADES MAGNÉTICAS. 3.2.1 Tipos de comportamiento. El imán ejerce una fuerza de atracción sobre objetos de hierro, níquel o cobalto, o con aleaciones metálicas que los contengan, llamada magnetismo. Los imanes exhiben fuerzas que se presentan cuando atraen los objetos. Esas fuerzas magnéticas son más intensas en los extremos del imán que en su centro. La fuerza de un imán disminuye con la distancia. El espacio donde el imán ejerce su fuerza magnética se llama campo magnético, que también lo posee la

2. En el plano médico, los superconductores también aportan, en el biomagnetismo. La resonancia magnética ya existe, pero puede ser mejorada con un campo magnético más fuerte derivado de electroimanes superconductores. Además de esto, existen dispositivos llamados SQUIDs (Superconductor QUantum Interference Device), que pueden detectar un cambio en el campo magnético 100 billones de veces menor a la fuerza que mueve a una aguja en una brújula. Con esto, se pueden examinar profundidades del cuerpo sin necesidad de fuertes campos magnéticos. 3. Los superconductores se pueden utilizar en aceleradores de partículas de muy alta energía. Estos podrían acelerar las partículas a velocidades cercanas a la de la luz. Con electroimanes superconductores esto podría ser posible.

Tierra generado por sus polos. Cuando un objeto está en el espacio sideral y se acerca demasiado a la Tierra, es atraído por el campo magnético terrestre. Ésta propiedad es aprovechada por los astronautas para regresar de sus vuelos espaciales, sin consumo de energía, porque es la Tierra quien los atrae hacia ella. 3.2.2 Aplicaciones industriales. Hoy en día las propiedades magnéticas de los materiales son aprovechadas para ffacilitar el trabajo diario puesto que los electroimanes son utilizados para levantar grandes pesos y, a la vez, permiten el funcionamiento de timbres y la mayoría de los electrodomésticos. Así mismo, para satisfacer la necesidad de comunicación entre las personas eliminando la distancia, fue construido el teléfono utilizando el electroimán. También los imanes son utilizados en cornetas de aparatos de sonido, micrófonos, motores eléctricos, radios, lavadoras y otros artefactos. El desarrollo de nuevos materiales magnéticos ha influido notablemente en la revolución de las computadoras. Los trenes de levitación magnética utilizan poderosos imanes para elevarse por encima de los rieles y evitar el rozamiento. En la aplicación de resonancia magnética nuclear, un examen de diagnóstico empleado en medicina, detecta tumores en cualquier parte del cuerpo, se utilizan campos magnéticos de gran intensidad.[14]

4. PROCESO DE REDUCCIÓN DEL MINERAL Y DE REFINACIÓN DEL HIERRO Y ACERO. 4.1 PROCESO DE REDUCCIÓN DIRECTA. La reducción directa conduce a la obtención de prerreducidos o hierro esponja y la reducción indirecta al arrabio o hierro de primera fusión. La reducción a hierro esponja es una vía directa del mineral al acero y la reducción a arrabio, pasa todavía al afino para producir al acero. El procedimiento consiste en transformar mineral de hierro en arrabio útil eliminando sus impurezas. Esto se logra en un alto horno forzando el paso de aire extremadamente caliente a través de una mezcla de mineral, coque y caliza, la llamada carga. Unas vagonetas vuelcan la carga en unas tolvas situadas en la parte superior del horno. Una vez en el horno, la carga es sometida a chorros de aire de hasta 870 ºC (el horno debe estar forrado con una capa de ladrillo refractario para resistir esas temperaturas). El metal fundido se acumula en la parte inferior. Los residuos (la escoria) flotan por encima del arrabio fundido. Ambas sustancias se extraen periódicamente para ser procesadas[15] DIAGRAMA DE PRODUCCIÓN DE HIERRO ESPONJA

ALTO HORNO

CARACTERÍSTICAS DEL ALTO HORNO. I En general los altos hornos tienen un diámetro mayor a 8 m y llegan a tener una altura superior de los 60 m. Están revestidos de refractario de alta calidad.

I Los altos hornos pueden producir entre 800 y 1600 toneladas de arrabio cada 24 h. La caliza, el coque y el mineral de hierro se introducen por la parte superior del horno por medio de vagones que son volteados en una tolva. I Para producir 1000 toneladas de arrabio, se necesitan: 2000 toneladas de mineral de hierro, 800 toneladas de coque, 500 toneladas de piedra caliza y 4000 toneladas de aire caliente. Mineral de hierro.

I Los principales minerales de los que se extrae el hierro son: I Hematita (mena roja)Fe2O3

70% de hierro. I Magnetita (mena negra) Fe3O4 72.4% de hierro. I Siderita (mena café pobre) FeCO3 48.3% de hierro. I Limonita (mena café)

Fe2O3 -1.5H2O 60-65% de hierro mena principal usada para la producción de arrabio. HEMATITA Fe2O3 + CO 2FeO + CO2 CO2 + C 2 CO FeO + CO Fe + CO2 coque ES UN COMBUSTIBLE DE ALTO CARBONO. FUNCIONES: El coque desempeña dos funciones en el proceso de reducción.

I Es el combustible que proporciona calor para la reacción química I Produce monóxido de carbono CO para reducir las menas

Piedra caliza. La piedra caliza es una roca que contiene altas proporciones de carbonato de calcio CaCO3. Esta piedra se usa en el proceso como un fundente que reacciona con las impurezas presentes y las remueve del hierro en forma de escoria[16] 4.2 CLASIFICACIÓN DE LOS HORNOS USADOS PARA LA FUSIÓN DE METALES. Hornos bessemer es un horno en forma de pera que está forrado con refractario de línea ácida o básica. El convertidor se carga con chatarra fría y se le vacía arrabio derretido, posteriormente se le inyecta aire a alta presión con lo que se eleva la temperatura por arriba del punto de fusión del hierro, haciendo que este hierva. Con lo anterior las impurezas son eliminadas y se obtiene acero de alta calidad. Este horno ha sido substituido por el BOF, el que a continuación se describe. Horno básico de oxígeno (BOF) Es un horno muy parecido al Bessemer con la gran diferencia que a este horno en lugar de inyectar aire a presión se le inyecta oxígeno a presión, con lo que se eleva mucho más la temperatura que en el Bessemer y en un tiempo muy reducido. El

nombre del horno se debe a que tiene un recubrimiento de refractario de la línea básica y a la inyección del oxígeno. La carga del horno está constituida por 75% de arrabio procedente del alto horno y el resto es chatarra y cal. La temperatura de operación del horno es superior a los 1650°C y es considerado como el sistema más eficiente para la producción de acero de alta calidad. Este horno fue inventado por Sir Henrry Bessemer a mediados de 1800, sólo que como en esa época la producción del oxígeno era cara se inició con la inyección de aire, con lo que surgió el convertidor Bessemer, el que ya fue descrito.

Horno de hogar abierto. Es uno de los hornos más populares en los procesos de producción del acero. Un horno de este tipo puede contener entre 10 y 540 toneladas de metal en su interior. Tiene un fondo poco profundo y la flama da directamente sobre la carga, por lo que es considerado como un horno de reverbero. Su combustible puede ser gas, brea o petróleo, por lo regular estos hornos tienen chimeneas laterales las que además de expulsar los gases sirven para calentar al aire y al combustible, por lo que se consideran como hornos regenerativos.

Horno de arco eléctrico. Por lo regular son hornos que sólo se cargan con chatarra de acero de alta calidad. Son utilizados para la fusión de aceros para herramientas, de alta calidad, de resistencia a la temperatura o inoxidables. Considerando que estos hornos son para la producción de aceros de alta calidad siempre están recubiertos con ladrillos de la línea básica. Existen hornos de arco eléctrico que pueden contener hasta 270 toneladas de material fundido. Para fundir 115 toneladas se requieren aproximadamente tres horas y 50,000 kwh de potencia. También en estos hornos se inyecta oxígeno puro por medio de una lanza. Los hornos de arco eléctrico funcionan con tres electrodos de grafito los que pueden llegar a tener 760mm de diámetro y longitud de hasta 12m. La mayoría de los hornos operan a 40v y la corriente eléctrica es de 12,000 A. Estos equipos son los más utilizados en industrias de tamaño mediano y pequeño, en donde la producción del acero es para un fin determinado, como varilla corrugada, aleaciones especiales, etc. [17]

Horno de refinación. Estos hornos pueden ser de varios tipos, en realidad puede ser cualquier horno al que por medio de aire u oxígeno se obtenga hierro con carbón controlado, sin embargo se pueden mencionar dos de los hornos más conocidos para este fin. Horno de inducción. Utilizan una corriente inducida que circula por una bovina que rodea a un crisol en el cual se funde la carga. La corriente es de alta frecuencia y la bovina es enfriada por agua, la corriente es de aproximadamente 1000Hz, la cual es suministrada por un sistema de motogenerador. Estos hornos se cargan con piezas sólidas de metal, chatarra de alta calidad o virutas metálicas. El tiempo de fusión toma entre 50 y 90 min., fundiendo cargas de hasta 3.6 toneladas. Los productos son aceros de alta calidad o con aleaciones especiales. Horno de aire o crisol. Es el proceso más antiguo que existe en la fundición, también se le conoce como horno de aire. Este equipo se integra por un crisol de arcilla y grafito, los que son extremadamente frágiles, los crisoles se colocan dentro de un confinamiento que puede contener algún combustible sólido como carbón o los productos de la combustión.

Horno de cubilote. Son equipos muy económicos y de poco mantenimiento, se utilizan para hacer fundición de hierros colados. Consisten en un tubo de más de 4 metros de longitud y pueden tener desde 0.8 a 1.4 m de diámetro, se cargan por la parte superior con camas de chatarra de hierro, coque y piedra caliza. Para la combustión del coque se inyecta aire con unos ventiladores de alta presión,

este accede al interior por unas toberas ubicadas en la parte inferior del horno. También estos hornos se pueden cargar con pelets de mineral de hierro o pedacearía de arrabio sólido. Por cada kilogramo de coque que se consume en el horno, se procesan de 8 a 10 kilogramos de hierro y por cada tonelada de hierro fundido se requieren 40kg de piedra caliza y 5.78 metros cúbicos de aire a 100 kPa a 15.5°C. Los hornos de cubilote pueden producir colados de hasta 20 toneladas cada tres horas. Este tipo de equipo es muy parecido al alto horno, sólo sus dimensiones disminuyen notablemente. El mayor problema de estos hornos es que sus equipos para el control de emisiones contaminantes es más costoso que el propio horno, por ello no se controlan sus emisiones de polvo y por lo tanto no se autoriza su operación. [18] 4.3 TIPOS BÁSICOS DE HIERRO. 4.3.1 Hierro fundido, clases y características. Existen 5 tipos de fundiciones: Si se produce un hierro fundido utilizando solo aleaciones H-C esta reacción produce hierro fundido blanco. Cuando ocurre la reacción eutética estable L y + Grafito A 1146°C se forma la fundición gris, la dúctil o de grafito. En las aleaciones Fe-C el líquido se sobre enfría fácilmente 6°C formándose hierro blanco. Al agregar aproximadamente 2% de silicio, el grafito eutético se nuclea y crece. Elementos como el cromo y el bismuto tienen un efecto opuesto y promueven la fundición blanca. Características y producción de las fundiciones. Fundición gris:.Se produce resistencia a la tensión baja, esto es por las grandes hojuelas de grafito. Se pueden conseguir la resistencia mayor reduciendo el equivalente de carbono por medio de la aleación o tratamiento térmico. Sus propiedades son: alta resistencia a la compresión, resistencia a la fatiga térmica y amortiguamiento contra la vibración. Fundición blanca: Se utilizan hierros fundidos blancos por su dureza y resistencia al desgaste por abrasión. Se puede producir martensita durante el tratamiento térmico. Fundición maleable: Se crea al intentar térmicamente la fundición blanca no aleada, a partir de la fundición blanca se producen dos tipos de fundición maleable: Fundición maleable férrica se consigue enfriando la pieza fundida y así se llega a la segunda etapa de grafitización, esta fundición tiene buena tenacidad, la fundición maleable perlita se crea al enfriar la austenita al aire o en aceite para así formar pelita o martensita. Fundición dúctil o nodular: Para esta fundición se requiere grafito esferoidal.[19] 4.3.2 Hierro dulce. El Hierro Dulce: es blando, dúctil y maleable porque al aplicar una fuerza sobre el material, todo lo que ocurre es que las esferas de Hierro se desplazan unas sobre otras pero sin perder la estructura ya que la red de esferas es totalmente homogénea en todas direcciones 4.4 CLASIFICACIÓN DEL ACERO. Existen cuatro grandes clasificaciones de aceros básicos: Aceros al Carbón, Aceros de Baja Aleación, Aceros de Alta Aleación y Aceros Herramienta. El Acero es básicamente una aleación de Hierro y Carbón; el carbón es el responsable de la respuesta del acero a los tratamientos de endurecimiento, por esta razón tan importante el principal tipo de acero es el Acero al Carbón común.

4.4.1 Aceros al carbono: Más del 90% de todos los aceros son aceros al carbono. Estos aceros contienen diversas cantidades de carbono y menos del 1,65% de manganeso, el 0,60% de silicio y el 0,60% de cobre. Entre los productos fabricados con aceros al carbono figuran máquinas, carrocerías de automóvil, la mayor parte de las estructuras de construcción de acero, cascos de buques, somieres u horquillas o pasadores para el pelo.[20] 4.4.2 Aceros de Baja Aleación: Estos aceros contienen una proporción determinada de vanadio, molibdeno y otros elementos, además de cantidades mayores de manganeso, silicio y cobre que los aceros al carbono normales. Estos aceros se emplean, por ejemplo, para fabricar engranajes y ejes de motores, patines o cuchillos de corte. Aceros de baja aleación ultrarresistentes: Esta familia es la más reciente de las cinco grandes clases de acero. Los aceros de baja aleación son más baratos que los aceros de aleación convencional ya que contienen cantidades menores de los costosos elementos de aleación. Sin embargo, reciben un tratamiento especial que les da una resistencia mucho mayor que la del acero al carbono. Por ejemplo, los vagones de mercancías fabricados con aceros de baja aleación pueden transportar cargas más grandes porque sus paredes son más delgadas que lo que sería necesario en caso de emplear acero al carbono. Además, como los vagones de acero de baja aleación pesan menos, las cargas pueden ser más pesadas. En la actualidad se construyen muchos edificios con estructuras de aceros de baja aleación. Las vigas pueden ser más delgadas sin disminuir su resistencia, logrando un mayor espacio interior en los edificios. Efecto de algunos de los elementos de aleación en los aceros.[21] Carbón (C). El carbón es el elemento responsable por la alta dureza y alta resistencia del acero. Manganeso (Mn): El Manganeso se usa para desoxidar y aumentar la capacidad de endurecimiento del acero. Silicio (Si): Es un formador de ferrita y se usa para desoxidar, también aumenta la capacidad de endurecimiento mejorando las propiedades mecánicas del acero. Cromo (Cr): Es un formador de ferrita y aumenta la profundidad de endurecimiento; también aumenta la resistencia a altas temperaturas y a la corrosión. El Cromo es un elemento principal de aleación en aceros inoxidables y debido a su capacidad de formar carburos se utiliza en revestimientos o recubrimientos duros de gran resistencia al desgaste. Níquel (Ni): Es el principal formador de austenita, este elemento aumenta la tenacidad y resistencia al impacto, por eso es el elemento mas efectivo para mejorar la resistencia del acero a las bajas temperaturas. El níquel también utiliza en los aceros inoxidables para aumentar la resistencia a la corrosión. Molibdeno (Mo): Aumenta fuertemente la profundidad de endurecimiento del acero, así como su resistencia al impacto. Los aceros inoxidables austeniticos contienen molibdeno para mejorar la resistencia a la corrosión. Vanadio (V): Promueve la formación de grano pequeño y reduce la pérdida de resistencia durante el templado; además, aumenta la capacidad de endurecimiento, también es un formador de carburos que imparten resistencia al desgaste en aceros herramientas. Cobre (Cu): Mejora la resistencia a la corrosión de aceros al carbón.

Fósforo (P): Se considera un elemento perjudicial en los aceros, ya que reduce la ductilidad y la resistencia al impacto. Sin embargo, en algunos aceros se agrega deliberadamente para aumentar su resistencia a la tensión y mejorar la maquinabilidad. Azufre (S): También se considera como elemento perjudicial en las aleaciones de acero. Sin embargo, en ocasiones se agrega hasta 0.25% de azufre para mejorar la maquinabilidad. Los aceros altos en azufre son difíciles de soldar y en su presencia en la soldadura genera porosidad. Boro (B): Se utiliza básicamente para aumentar la capacidad de endurecimiento cuando el acero esta totalmente desoxidado. Una pequeña cantidad de boro, (0.001%) tiene un efecto marcado en el endurecimiento del acero, el boro también se combina con el carbón para formar carburos que imparten al acero características de revestimiento duro. Columbio (Nb) (Ta): Se utiliza básicamente en aceros inoxidables austeniticos con el objeto de estabilizar los carburos. Debido a que el carbón disminuye la resistencia anticorrosivo en los inoxidables al agregar Columbio, el cual tiene mayor afinidad con el carbón que el cromo, este queda libre para cumplir con su función anticorrosiva. 4.4.3 Aceros inoxidables. Los aceros inoxidables contienen cromo, níquel y otros elementos de aleación, que los mantienen brillantes y resistentes a la herrumbre y oxidación a pesar de la acción de la humedad o de ácidos y gases corrosivos. Algunos aceros inoxidables son muy duros; otros son muy resistentes y mantienen esa resistencia durante largos periodos a temperaturas muy rigurosas. Debido a sus superficies brillantes los arquitectos los emplean muchas veces con fines decorativos. El acero inoxidable se emplea para las tuberías y tanques de refinerías de petróleo o plantas químicas, para los fuselajes de los aviones o para cápsulas espaciales. También se usa para fabricar instrumentos y equipos quirúrgicos, o para fijar o sustituir huesos rotos, ya que resiste a la acción de los fluidos corporales. En cocinas y zonas de preparación de alimentos los utensilios son a menudo de acero inoxidable, ya que no oscurece los alimentos y pueden limpiarse con facilidad 4.4.4 Aceros de herramienta. Estos aceros se emplean para fabricar muchos tipos de herramientas y cabezales de corte y modelado de máquinas empleadas en diversas operaciones de fabricación. Contienen wolframio, molibdeno y otros elementos de aleación, que les proporcionan mayor resistencia, dureza y durabilidad[22] 5. PROCESOS DE FABRICACIÓN DE PIEZAS FUNDIDAS. 5.1 Fundición en arena.

5.1.1Tipos de modelos y corazones Los moldes se fabrican por medio de modelos los que pueden ser de madera, plástico, cera, yeso, arena, poliuretano, metal, etc. Si los modelos se destruyen al elaborar la pieza, se dice que éstos son disponibles o desechables y si los modelos sirven para varias fundiciones se les llama removibles. 5.1.1.1 Modelos removibles. La mayoría de los modelos son hechos de madera la cual es barata y puede trabajarse fácilmente. Por lo cual solo un pequeño porcentaje de modelos se hace en cantidad para trabajos de producción, la mayoría no necesita estar hecha de un material que pueda tener un uso duro en la fundición. Muchos de los modelos usados en los trabajos de gran producción se hacen de metal porque soportan el uso intenso. Los modelos de metal no cambian su forma cuando se les somete a condiciones húmedas además requieren un mínimo de atención para mantenerlos en condiciones de trabajos. Los metales utilizados para hacer modelos incluyen latón, metal blanco, hierro fundido y aluminio. Probablemente el aluminio sea el mejor de todos porque es el mas fácil de trabajar, es de peso ligero y resistente a la corrosión. Los modelos de madera son obtenidos de fundición de modelo maestro construido de madera. Los plásticos se adaptan especialmente bien como materiales para modelos porque no absorben humedad, son fuertes y dimensionalmente estables y tienen superficies perfectamente tersas, se pueden producir económicamente vaciado en forma similar al metal vaciado. 5.1.1.2 Modelos desechables. Todos los modelos desechables están hechos de hule, espuma o poliestireno. El material recomendado de poliestireno es extendido en camas sobre un tablero. Las camas deben de tener una buena adhesión una a la otra y densidades entre 16 a 19.2kg/m3, el material que mejor se trabaja es el que ha tenido como mínimo 45 días de tiempo después de manufacturado las camas de poliestireno son usadas en la manufactura de modelos pequeños en cantidades de producción. Estas ramas son extendidas en los moldes metálicos como aplicación de vapor o con calor eléctrico. Con objeto de mejorar el mejorado superficial de la pieza de fundición completa, el molde obtenido se escobetea o se rocía con agua de circón. La cara de la arena sonde se coloca el modelo puede ser arena en verde, arena con deposito de silicato de sodio, arena aglutinada en algunos casos arenas sin depósitos o simplemente seca. Ventajas de los modelos desechables. para la fabricación de moldes sin máquinas de moldeo se requiere menos tiempo. no requieren de tolerancia especiales. el acabado es uniforme y liso. no requiere de piezas sueltas y complejas. Desventajas de los modelos desechables. El modelo es destruido en el proceso de fundición. Los modelos son más delicados en su manejo. No se puede utilizar equipo de moldeo mecánico. No se puede revisar el acabado del molde.

5.1.1..3 Materiales y tolerancias utilizados. En el diseño de los modelos que se utilizan para construir un molde es necesario tener en consideración varias tolerancias. I Tolerancia para la contracción. Se debe tener en consideración que un material al enfriarse se contrae dependiendo del tipo de metal que se esté utilizando, por lo que los modelos deberán ser más grandes que las medidas finales que se esperan obtener. I Tolerancia para la extracción. Cuando se tiene un modelo que se va a remover es necesario agrandar las superficies por las que se deslizará, al fabricar estas superficies se deben considerar en sus dimensiones la holgura por extracción. IITolerancia por acabado. Cuando una pieza es fabricada en necesario realizar algún trabajo de acabado o terminado de las superficies generadas, esto se logra puliendo o quitando algún material de las piezas producidas por lo que se debe considerar en el modelo esta rebaja de material. I Tolerancia de distorsión. Cuando una pieza es de superficie irregular su enfriamiento también es irregular y por ello su contracción es irregular generando la distorsión de la pieza, estos efectos deberán ser tomados en consideración en el diseño de los modelos. I Golpeteo. En algunas ocasiones se golpean los modelos para ser extraídos de los moldes, acción que genera la modificación de las dimensiones finales de las piezas obtenidas, estas pequeñas modificaciones deben ser tomadas en consideración en la fabricación de los modelos.

5.1.1.4 Mezclas para corazones. I Cuando una pieza de fundición debe tener un hueco, tal y como un agujero para un tornillo, debe introducirse al molde alguna forma de corazón. Un corazón se define algunas veces como cualquier proyección de arena dentro del molde. Esta proyección puede quedar formada por el molde mismo o puede ser hecha en otra parte e introducido en el molde después de extraer el modelo. Los corazones se clasifican como corazones de arena verde y corazones de arena seca. I Los de arena verde son aquellos formados por el mismo modelo y se hacen en la misma arena del molde. I Los corazones de arena seca son los que se forman separadamente para insertarse después que se ha retirado el modelo y antes de cerrar el molde. En general deben usarse los corazones de arena verde, siempre que sea posible para mantener el costo de los modelos y de las piezas de fundición en un mínimo. 5.1.2 Tipos de arenas. El Término Arena, geológicamente se asigna a las sustancias minerales constituidas por agregados pétreos, cuyo diámetro varía entre 1/16 a 2mm, no importando su composición química. Los moldes y corazones fabricados a base de arenas con aglutinantes se utilizan solamente para una sola fundición. 5.1.2.1 Aglutinantes. Los aglutinantes están compuestos por minerales inorgánicos y diferentes arcillas (arcilla de caolinito y de montmorillonito) o materiales orgánicos a base de resinas (aglutinante de resina de fenol-formaldehído ), aglutinante de resina de furano o de fenol, aglutinante de resina fría de uretano, aglutinante de parafina-uretano, aglutinante de resina fría de fenol-uretano y sistemas de amino-fenol-uretano), aglutinantes inorgánicos a base de silicatos que se endurecen por

tratamiento con bióxido de carbono o aglutinantes vegetales a base de productos de hidrocarburos (Mezclados con fécula). Los aglutinantes para la arena de moldeo tienen que garantizar la consistencia del molde de arena durante el proceso de fundición. Después de la fundición, se desea una desintegración fácil del molde. El tipo de aglutinante determina el proceso factible del tratamiento a la arena, que puede ser mecánico, térmico o hidromecánico. Existen arenas naturales con un contenido de arcillas como aglutinante y arenas sin aglutinante, que son en su mayoría arenas de cuarzo con diferentes especificaciones. 5.1.2.3 Pruebas de arena. • Pruebas de Permeabilidad: Se denomina así a la facilidad que ofrece una arena de dejarse atravesar por el aire y los gases que se desprenden cuando se realiza la colada (aire de cavidad y gases). * Prueba de contenido de arcilla: Cuanto mayor sea el porcentaje de arcilla, más acoplados y soldados quedarán unos granos contra otros y menor será la permeabilidad. • Prueba sobre el contenido de humedad: Si la humedad es alta, la arena se aglomera mucho y se hace impermeable; por tanto, disminuye la permeabilidad. • Pruebas de resistencias: La resistencia de la arena en verde, ya sea en tensión cortante o compresión, es usualmente mayor en o cerca del contenido de humedad de mejor trabajabilidad o en el temple correcto. Para una arena de molde natural se utiliza para preparación esta gráfica, esto es, 7 por ciento de humedad. • Resistencia en seco: Esta aumenta rápidamente el contenido de humedad.

• Pruebas de Dureza: La dureza del molde (cuando la energía de compactado es uniforme), es baja para una arena seca o poco húmeda y es más alta cuando la arena está apropiadamente templada. Este cambio en la dureza del molde con la variación de la humedad considera en gran parte los cambios repentinos en expansión y la contracción de la arena conforme la humedad varía. 5.1.3 Fabricación de moldes. Los recipientes con la forma deseada se conocen como moldes, éstos se fabrican de diferentes materiales como: arena, yeso, barro, metal, etc. Los moldes pueden servir una vez o varias. En el primer caso se les conoce como moldes temporales y los que se pueden utilizar varias veces, se les conoce como moldes permanentes. TEMPORAL.- En este caso el molde se hace comprimiendo arena de fundición alrededor del modelo colocando en el interior un bastidor adecuado llamado caja después de la colada; se levanta la caja y se rompe el molde para extraer la pieza. Para hacer otra pieza es necesario rehacer el molde. IIMoldes de capa seca es un procedimiento muy parecido al de los moldes de arena verde, con excepción de que alrededor del modelo (aproximadamente 10 mm) se coloca arena con un compuesto que al secar hace más dura a la arena, este compuesto puede ser almidón, linaza, agua de melaza, etc. el material que sirve para endurecer puede ser aplicado por medio de un rociador y posteriormente secado con una antorcha. I Moldes de arena seca estos moldes son hechos en su totalidad con arena verde común, pero se mezcla un aditivo como el que se utiliza en el moldeo anterior, el que endurece a la arena

cuando se seca. los moldes deben ser cocidos en un horno para eliminar toda la humedad y por lo regular se utilizan cajas de fundición, como las que se muestran más adelante. estos moldes tienen mayor resistencia a los golpes y soportan bien las turbulencias del metal al colarse en el molde. I Moldes de arcilla los moldes de arcilla se construyen al nivel de piso con ladrillos o con materiales cerámicos, son utilizados para la fundición de piezas grandes y algunas veces son reforzados con cajas de hierro. estos moldes requieren mucho tiempo para su fabricación y no son muy utilizados. IIMoldes furánicos este proceso es bueno para la fabricación de moldes o corazones de arena. están fabricados con arena seca de grano agudo mezclado con ácido fosfórico, el cual actúa como acelerador en el endurecimiento, al agregarse a la mezcla una resina llamada furánica. con esta mezcla de ácido, arcilla y resina en dos horas el molde se endurece lo suficiente para recibir el metal fundido. I Moldes de co2 en este tipo de moldes la arena verde se mezcla con silicato de sodio para posteriormente ser apisonada alrededor del modelo. una vez armado el molde se inyecta bióxido de carbono a presión con lo que reacciona el silicato de sodio aumentando la dureza del molde. con la dureza adecuada de la arena del molde se extrae el modelo, si este fuera removible, para posteriormente ser cerrado y utilizado. I Moldes de arena uno de los materiales más utilizados para la fabricación de moldes temporales es la arena sílica o arena verde (por el color cuando está húmeda). El procedimiento consiste en el recubrimiento de un modelo con arena húmeda y dejar que seque hasta que adquiera dureza. Partes de un molde

1. Vasija de vaciado. Entrada del metal fundido al molde. 2. Bebedero. Conducto por el cual baja el metal fundido para la alimentación del 3. Corredor alimentador. Vasija inferior que permite la entrada del material a la cavidad. En algunos casos se coloca un rebosadero antes del corredor alimentador para que se atrape la escoria o partículas extrañas del metal fundido. 4. Rebosaderos. Son espacios que pueden ser ciegos o abiertos y que sirven para permitir que la escoria del material fundido flote y sea atrapada. También sirven para conocer si el material llenó en su totalidad la cavidad del molde. 5. PERMANENTE.- En este caso el molde se prepara sin ayuda de modelo alguno labrando directamente en negativo la pieza en uno o varios bloques de metal (generalmente hierro fundido o acero) que viene a constituirla coquilla que dura numerosas fundiciones algunas veces los moldes permanentes se hacen de yeso, de modo que sirvan para varias coladas con solo leves reparaciones cuando la pieza ha de tener huecos interiores.

Existen varios tipos de moldes metálicos utilizados para la fabricación de piezas por lo regular de metales no ferrosos, a continuación se mencionan algunos de los más utilizados. 1. Fundición en matrices. En este proceso el metal líquido se inyecta a presión en un molde metálico (matriz), la inyección se hace a una presión entre 10 y 14 Mpa, las piezas logradas con este procedimiento son de gran calidad en lo que se refiere a su terminado y a sus dimensiones. Este procedimiento es uno de los más utilizados para la producción de grandes cantidades de piezas fundidas. Se pueden utilizar dos tipos de sistema de inyección en la fundición en matrices.

Cámara caliente Y Cámara fría. El procedimiento de fusión en cámara caliente se realiza cuando un cilindro es sumergido en el metal derretido y con un pistón se empuja el metal hacia una salida la que descarga a la matriz. Las aleaciones más utilizadas en este método son las de bajo punto de fusión como las de zinc, estaño y plomo. Las piezas que se producen son de 20 a 40 kg y se llegan a manejar presiones superiores a los 35 Mpa. Es un proceso rápido que se puede fácilmente mecanizar. El proceso con cámara fría se lleva metal fundido por medio de un cucharón hasta un cilindro por el cual corre un pistón que empuja al metal a la matriz de fundición, las piezas obtenidas son de unos cuantos gramos a 10 kg y sólo es recomendable en trabajos de poca producción. FUNDICIÓN EN CÁMARA CALIENTE.

2.- Fundición centrífuga. La fundición centrífuga es un método en el que aprovecha la fuerza centrífuga que se puede general al hacer girar el metal en tordo de un eje. Existen tres tipos de fundición centrífuga: I. Fundición centrífuga real Es el procedimiento utilizado para la fabricación de tubos sin costura, camisas y objetos simétricos, los moldes se llenan del material fundido de manera uniforme y se hace girar al molde sobre su eje de rotación.

II. Fundición semicentrífuga. Es un método en el que el material fundido se hace llegar a los extremos de los moldes por la fuerza centrífuga que genera hacer girar a los moldes, los extremos se llenan del material fundido, con buena densidad y uniformidad. El centro tiene poco material o de poca densidad.

III. Centrifugado. Es un sistema donde por medio de un tallo se hace llegar metal fundido a racimos de piezas colocadas simétricamente en la periferia. Al poner a girar el sistema se genera fuerza centrífuga la que es utilizada para aumentar la uniformidad del metal que llena las cavidades de los moldes.

5.1.3.1 Tipos de moldes. 1. Moldes de arena en verde. Es el método más común que consiste en la formación del molde en arena húmeda, usada en ambos procedimientos previamente descritos. 2. Moldes en capa seca. Dos métodos son generalmente usados en la preparación de moldes con capa seca. En uno, la arena alrededor del modelo a una profundidad aproximada a 10mm se mezcla con un compuesto de tal manera que se seca y se obtiene una superficie dura

en el molde. El resto del molde está hecho con arena en verde ordinaria. El otro método es hacer el molde entero de arena en verde y luego cubrir la superficie con un rociador de tal manera que se endurezca la arena cuando el calor es aplicado. 3. Moldes con arena seca. Estos moldes son hechos enteramente de arena común de moldeo mezclada con un material aditivo similar al que se emplea en el método anterior. Los moldes deben ser cocidos totalmente antes de usarse, siendo las cajas del metal. Los moldes de arena seca mantienen esta forma cuando son vaciados y están libres de turbulencias de gas, debidas a la humedad. Los moldes con capa seca y los moldes de arena seca son ampliamente usados en fundicione4s de acero. 4. Moldes de arcilla. Los moldes de arcilla se usan para trabajos grandes. Primero se construye el molde con ladrillo o grandes partes de hierro. Luego, todas estas partes se emplastecen con una capa de mortero de arcilla, la forma del molde se empieza a obtener con una terraja o esqueleto del modelo. Luego se permite que el molde se seque completamente de tal manera que pueda resistir la presión completa del metal vaciado. 5. Moldes furánicos. Este proceso es bueno para la fabricación de moldes usando modelos y corazones desechables. La arena seca de grano se mezcla con ácido fosfórico en cual actúa como un acelerador. La resina furánica es agregada y se mezcla en forma continua el tiempo suficiente para distribuir la resina. El material de arena empieza a endurecerse casi de inmediato, al aire, pero el tiempo demora lo suficiente para permitir el moldeo. 6. Moldes de metal. Los moldes de metal se usan principalmente en fundición en matriz de aleaciones de bajo punto de fusión. Las piezas de fundición se obtienen de formas exactas con una superficie fina, esto elimina mucho trabajo de maquinado. 7. Moldes de CO2. En este proceso la arena limpia se mezcla con silicato de sodio y esta es presionada alrededor del modelo. Cuando el gas de CO2 es alimentado a presión en el molde, la arena mezclada se endurece. Piezas de fundición lizas y de forma intrincada se pueden obtener por este método, aunque el proceso fue desarrollado originalmente para la fabricación de corazones. 8. Moldes especiales. Plástico, cemento, yeso, papel, madera y hule, todos estos materiales son usados en moldes para aplicaciones particulares. 5.2 Procesos de fundición en moldes desechables. 5.2.1 Moldeo en concha. Este proceso deriva su nombre del empleo de moldes delgados en forma de cáscara o concha. A pesar de ser un proceso lento comparado con la fundición a presión es posible producir un gran número de piezas pequeñas y complicadas a un bajo costo y con los materiales apropiados, también se pueden fabricar piezas que técnicamente parecían imposibles así como fundir pieza saeteras que antes debían estar formadas por varias partes.

Moldeo en cáscara de resina. El primer paso en este proceso consiste en el maquinado de un modelo de acero o aluminio, con cada mitad con placas separadas para piezas grandes, o una mitad de cada lado de una misma placa para piezas chicas, en este último paso es común hacerle cavidades múltiples de 4 a 10 piezas por molde, las placas del moldeo, corazones y cajas para corazones empleados en cáscara demás de producir las formas y dimensiones de los moldes, corazones y piezas realizan una función de transferencia de calor, como se observa en la figura Todos los modelos deben llevar el bebedero completado y además orificios por donde pasen los botadores Se utiliza arena fina y limpia con muy bajo contenido de arcilla, mezclada con 5 a 7 % de resina fenolformadelhídica o alguna otra que también sea termofraguante. El proceso de moldeo consiste en calentar la placa-modelo a una temperatura entre 180 y 260 C° colocándola a continuación invertida sobre el recipiente que contiene la arena. Se gira el conjunto 180 C° de manera que la arena cubra completamente el modelo, la resina se funde y aglutina a los granos de arena hasta una profundidad determinada por la temperatura d el aplaca modelo y el tiempo de contacto. Normalmente el conjunto se deja invertido de 15 a 60 seg. Con lo que se obtiene un espesor d el caja entre 5 y 10 mm. Se regresa el recipiente a su posición normal retirándose la placa modelo con la cáscara adherida y horneándolas a 315 C°, una vez que la resina se ha fraguado por completo, se saca el molde por medio de los botadores, de la misma forma de hace

la otra mitad y después de colocar los corazones se unen entre sí ya sean pegándolas o sujetándolas con abrazaderas. Luego de vaciar el metal fundido y enfriarse la pieza se le quitan los corazones y el molde con los procedimientos de limpieza descritos en la fundición de arena para obtener la pieza terminada. 5.2.2Fundición por revestimiento. La fundición por revestimiento o de precisión emplea técnicas que permiten superficies lisas, mucha exactitud en fundiciones que están hechas para aleaciones ferrosas y no ferrosas. No existe otro método, que pueda asegurar la producción de piezas de partes difíciles. Este proceso se utiliza en piezas de fundición para aleaciones no maquinables y metales radiactivos. Existe un número de procesos empelados, pero todos se incorporan a la arena, la cerámica, yeso o de cáscara de plástico hechos a partir de un modelo exacto en el cual el metal es vaciado. Aunque la mayoría de las piezas fundidas son chicas, el proceso por revestimiento se ha usado para producir piezas con pesos sobre 45 kg. Las ventajas de las técnicas por revestimiento o precisión son: 1.- Se pueden fundir piezas de formas intrincadas con relieves. 2.- Se obtienen piezas con superficies lisas y sin líneas de partición. 3.- La exactitud dimensional es buena. 4.- Ciertas partes no maquinables se pueden fundir en forma preplaneada. 5.- Puede ser usada para sustituir fundiciones en matriz donde existen canales muy cortos 5.2.3Moldes para fundición de yeso y de cerámica. Este método se utiliza en piezas cuyo peso varía desde 15g hasta 40 Kg., que tengan formas complicadas y requieran de un buen acabado y precisión dimensional. Se le llama también método de la cera perdida Este proceso implica retirar de una cubierta refractaria, el modelo caliente disponible. El modelo se hace con cera o con un plástico da bajo punto de fusión; y con frecuencia se juntan algunos de ellos mediante “soldadura de cera” en un racimo. El costo de la producción de los modelos de plástico es menos que los modelos de la cera, el cual forma una vasija de vaciado. El racimo de modelos se sumerge rápidamente en una lechada de cerámica y se espolvorea con material refractario. Este proceso llamado estucado, se repite hasta que la cáscara es de 4.8 a 12.7 mm de espesor. Luego se funde el modelo extrayéndolo del molde, el cual es primero secado y luego se somete al fuego de 980 a 1095°C con objeto de quitarle toda la humedad y material orgánico. El molde libre d e cualquier línea de partición es generalmente vaciado de forma inmediata y después se elimina del horno. La cáscara se rompe de la pieza fundida a medida que tiene lugar el enfriamiento. Se tiene buena exactitud y buen acabado en las superficies con metales tanto ferrosos como no ferrosos. Las tolerancias de ± 0.13 mm no son poco comunes, y como tolerancias de fundición pueden proporcionarse por acuñado o por apresto (operación consistente en preparar un objeto parcialmente manufacturado antes de someterlo a una nueva manipulación o trabajo), pero el costo se incremente. Los modelos se retiran del molde y se recubren con una lechada fría, repitiendo la inmersión hasta que la cáscara ha adquirido un espesor de alrededor de 3.1mm. El mercurio se funde y se retira de la cáscara a la temperatura ambiente y después de un corto periodo de secado, se calienta a alta temperatura, resultando una forma dura permeable. Luego la cáscara se coloca en una caja, envolviéndola con arena, se precalienta y se llena con metal. Las piezas se hacen usualmente por el método centrífugo. Aunque el proceso proporciona piezas de gran exactitud, es poco usado por los altos costos de la producción y el riesgo que se acompaña en el manejo del mercurio.

Fundición en molde de yeso. La mezcla a base de yeso usada en fundiciones por revestimiento seca rápidamente con buena porosidad, pero no es permanente, es destruido en el momento en que la pieza fundida se retira del molde. Los modelos de hacen de un bronce fácil de maquinar y se llevan tolerancias precisas. Se les coloca en tableros inferiores de cajas normales de moldeo. Antes de recibir el yeso, se les atomiza con un compuesto separador. El yeso, que es una amalgama con agentes reforzadores y fraguantes, se mezcla en seco y se le añade agua. Luego se vacía sobre los modelos y el molde se vibra ligeramente para asegurar que la amalgama llenó todas las pequeñas cavidades. El yeso fragua en unos cuantos minutos, retirándose de la caja por medio de un cabezal de vacío. Toda la humedad se extrae de los moldes horneándolos en un horno con transportador, a temperaturas alrededor de 815° C. Después del vaciado, las piezas se retiran rompiendo el molde. Cualquier excedente de yeso se elimina en una operación de lavado. La porosidad el molde para la salida de algunos gases desarrollados en él, se controla por el contenido del agua del yeso. Cuando se saca el molde, el agua disipada deja numerosos conductos finos que actúan como agujeros de ventilación. Además de tener una adecuada

porosidad, los moldes de yeso tienen la resistencia estructural necesaria para resistir las piezas fundidas, más suficiente elasticidad para permitir algo de contracción del metal durante su enfriamiento. Los moldes de yeso son convenientes solamente pare aleaciones no ferrosas. Aunque ha probado ser excelente material de moldes para latón amarillo, ciertos bronces, magnesio y también pueden ser usadas aleaciones de aluminio. La amplia variedad de pequeñas piezas fundidas hechas mediante este proceso incluye diferentes partes de avión, engranes pequeños, levas, manijas, partes para bombas, pequeñas tapas y otros numerosos artículos de forma complicada. 5.3 Procesos de fundición en molde permanente. 5.3.1 Variantes de la fundición en molde permanente. Los procesos utilizados para obtener las piezas fundidas depende de la cantidad a que deba producirse el metal que se va a fundir, y lo complicado de la parte. Todos los metales se pueden fundir en moldes de arena, no habiendo restricción en cuanto a tamaño. Sin embargo, casi siempre los moldes de arena son moldes de un solo propósito y se destruyen completamente después de que el metal ha solidificado. Es un tanto obvio, que el uso de un molde permanente, tendrá como consecuencia una grande economía en los costos de fabricación 5.3.2 Fundición en dados (matrices). La fundición en matrices es un proceso en el cual el metal líquido es forzado a entrar a presión en el molde metálico conocido como matriz. Por razón de que el metal solidifica bajo una presión desde 0.6 a 275 MPa, la pieza de fundición se configura a la cavidad de la matriz en igual forma y acabado superficial que ésta. La presión usual es de 10.3 a 14 MPa. Hay dos métodos que se utilizan: a). Cámara caliente b). Cámara fría 5.3.3 Fundición por electro escoria. El proceso de fundición por electro escoria es poco usual y no emplea horno. En cambio, para la fusión se consumen electrodos formando en forma sorpresiva una cubierta de escoria debajo del metal líquido que va a alimentar un molde permanente enfriado por agua. Luego, el metal líquido continuamente gotea o corre en el molde, y además no se mantiene en contacto con la atmósfera por la capa de escoria. No son necesarias las entradas ni los bebederos y usualmente los electrodos son retirados del molde y en consecuencia el llenado se realiza del fondo hacia la parte superior. 5.3.4 Fundición centrifuga. La fundición centrífuga es el proceso de hacer girar el molde mientras solidifica el metal, utilizando así la fuerza centrífuga para acomodar el metal en el molde. Se obtienen mayores detalles sobre la superficie de la pieza y la estructura densa del metal adquiere propiedades físicas superiores. Por fundición centrífuga se obtienen piezas más económicas que por otros métodos. Los corazones en forma cilíndrica y rebosaderos o mazarotas se eliminan. Las piezas tienen una estructura de metal densa con todo y las impurezas que van de la parte posterior al centro de la

pieza pero que frecuentemente se maquinan. Por razón de la presión extrema del metal sobre el metal, se pueden lograr piezas de secciones delgadas tan bien como en la fundición estática. Los moldes permanentes se han usado frecuentemente en la fundición centrífuga de magnesio. Desde entonces las piezas de fundición de magnesio son forzadas nuevamente al molde, las piezas se enfrían más rápidamente y el aire o gas atrapados se eliminan entre el molde y el material. Esto es considerablemente difícil en muchos casos en los cuales los moldes son usados a causa de la expansión debida al calentamiento del molde y a la contracción de la pieza fundida debido al enfriamiento.

5.4 Procesos de fundición continua. 5.4.1 Molde alternativo. En el proceso se utiliza un molde de cobre alternativo enfriado por agua, la carrera hacia abajo se sincroniza con la velocidad de descarga de la plancha. El metal líquido es vaciado en el horno mantenedor que se muestra, y se descarga en el molde después de haber sido medido a través de un orificio de 22mm a la válvula de la aguja. El tubo de descarga es de 29 mm de diámetro y libera al metal a un promedio de 3.78 kg/s. El metal fundido se distribuye transversalmente en el molde por medio de una pieza horizontal atravesada que se queda sumergida. El nivel del metal se mantiene todo el tiempo constante. La velocidad del vaciado del metal liqui8do se controla mediante una válvula de aguja que sale por la parte superior del horno mantenedor. A medida que el metal se enfría en la parte inferior del molde, es descargado a velocidad constante, entrando en los rodillos separadores. Estos van sincronizados por el movimiento hacia abajo del molde y están montados justamente arriba de una sierra circular que corta los planchones a las longitudes requeridas. Los planchones de bronce así producidos, se transforman en láminas y cintas mediante laminado, en frío. También se producen en la misma forma, grandes cantidades de piezas redondas de 178 a 254 mm. de diámetro, para procesos de extrusión en caliente. 5.4.2 Proceso Asarco. El proceso se muestra en la figura difiere de otros procesos continuos en la que la matriz formadora o molde, queda integrado con el horno, y no hay problema para controlar el flujo de metal. El metal se alimenta por gravedad al interior del molde desde el horno y se va solidificando continuamente ya solidificado por los rodillos inferiores. Una parte importante de este proceso es la matriz de grafito enfriada por agua, que es auto lubricada, y resistente a los choques térmicos y no es atacada por las aleaciones a base de cobre. El extremo superior del metal líquido actúa como un rebosadero y se compensa por cualquier contracción que pudiera ocurrir durante la solidificación, en lo que actúa simultáneamente como una trayectoria para disipación de los gases desarrollados. Estas matrices se maquinan fácilmente a la forma requerida y se pueden obtener productos que varían de 10 a 230 mm en diámetro. La producción múltiple a partir de una matriz simple permite el vaciado de barras de menor sección recta.

El proceso ha probado tener éxito para el cobre fosforoso y muchos de los bronces normales. Se pueden emplear las aleaciones para producir piezas redondas, tubos, cuadrados o formas especiales. Las propiedades físicas son superiores a las obtenidas mediante moldes permanentes y fundición a la arena. 5.4.3 Molde de latón. El proceso de fundición continua para aceros al carbono y aceros aleados usando moldes de latón o cobre de grandes espesores, los cuales permiten una velocidad de flujo de calor que es suficiente para prevenir que el molde no sea dañado por el metal que se empieza a vaciar. Los moldes de latón o cobre tienen una alta conductividad de calor que no son fácil de ser mojadas por el acero líquido. La sección trasversal usada como dato varia alrededor de 7 a 55 mm3 el metal es subministrado al molde por medio de una boquilla colocada en un vertedero o caja de colado. El vertedero es a su vez alimentado desde una olla convencional. El enfriamiento rápido del molde es esencial para el éxito de este proceso y da como resultado una mejoría en la vida del molde, menor segregación, menor tamaño del grano y una mejor superficie. Realmente el metal que esta próximo a las paredes del molde solidifica solo unos cuantos cm debajo de la superficie superior y se contrae ligeramente a partir de las paredes del molde. A medida que la sección fundida abandona el molde frío pasa por una sección que controla la velocidad de enfriamiento y en donde los rodillos guiadores impiden la expansión de la pieza fundida. Abajo de esta área están los rodillos extractores que controlan la velocidad a la cual, la pieza debe de pasar por el área de corte. Los colados se cortan a las longitudes requeridas por medio de un soplete de oxiacetileno. Los colados se rolan forjan o extruyen en lupías, tochos o planchones. 5.4.4 Enfriamiento directo. En este proceso se vacían en forman continua lingotes de aluminio y de aleaciones de aluminio, formando una cáscara en un molde vertical estacionario, enfriado por agua. La solidificación se complementa por la aplicación directa de agua abajo del molde. Al comenzar, el molde esta tapado por un bloque colocado sobre un elevador o por medio de un falso lingote. El metal líquido es alimentado desde un horno a través de vertederos y conductos, regulando el flujo manual o automáticamente por medio de un flotador controlador, de modo que coincide con la rapidez del colado que se controla mediante el elevador o de rodillos impulsores. El proceso se muestra esquemáticamente en la figura. Se producen piezas de secciones arriba de 1 m2.

Las longitudes 2.5 a 3.8m de largo limitados por la carrera del elevador, o bien cuando se emplean rodillos, los lingotes se cortan a las longitudes finales. La calidad superficial es adecuada tal y como sale del colado para ciertas aleaciones y productos, o se puede requerir quitar una delgada capa superficial, para otras aleaciones, o para aplicaciones más críticas[23] 6. TRATAMIENTOS TÉRMICOS APLICADOS EN INGENIERÍA 6.1 Diagramas de fases. Un diagrama de fase es un medio grafico para representar las fases de un sistema de aleación metálica como una función de la composición y la temperatura. En el análisis del diagrama se limitara a sistemas de aleación constituidos por dos elementos a presiones atmosféricas. Este tipo de diagramas se llama “diagrama de fases binario”.

Información que podemos obtener de los diagramas de fase: 1. Conocer que fases están presentes a diferentes composiciones y temperaturas bajo condiciones de enfriamiento lento (equilibrio). 2. Averiguar la solubilidad, en el estado sólido y en el equilibrio, de un elemento (o compuesto) en otro. 3. Determinar la temperatura a la cual una aleación enfriada bajo condiciones de equilibrio comienza a solidificar y la temperatura a la cual ocurre la solidificación. 4. Conocer la temperatura a la cual comienzan a fundirse diferentes fases.

6.1.1 Diagramas de fases Hierro-Carbono.

Uno de los diagramas de aleaciones más conocido y utilizado del Hierro y el carbono. También conocido como diagrama hierro, hierro, carbono (HHC). Con este diagrama se pueden obtener las temperaturas de cambio de sus estructuras cristalinas; también se pueden conocer las temperaturas a las que se da el cambio de fase de un hierro. En función a la cantidad de carbón que contiene el metal se puede estimar la temperatura a la que se derretirá y a la que se volverá pastoso.

El diagrama hierro-carbono, aun cuando teóricamente representa unas condiciones metas estables, se puede considerar que en condiciones de calentamiento y enfriamiento relativamente lentas representa cambios de equilibrio. El hierro puro se funde a 2802° F , durante el ascenso de la temperatura sufre varias transformaciones en su fase sólida como se indica en el diagrama. A partir de la temperatura ambiente la fase es alfa (I), también llamada “ferrita”.

6.1.2 Regla de la palanca invertida. Para calcular las cantidades de líquido y de sólido, se construye una palanca sobre la isoterma con su punto de apoyo en la composición original de la aleación (punto dado). El brazo de la palanca, opuesto a la composición de la fase cuya cantidad se calcula se divide por la longitud total de la palanca, para obtener la cantidad de dicha fase. En general la regla de la palanca se puede escribir de esta forma:

Se puede utilizar la regla de la palanca en cualquier región bifásica de un diagrama de fases binario. En regiones de una fase no se usa el cálculo de la regla de la palanca puesto que la respuesta es obvia (existe un 100% de dicha fase presente). 6.1.3 Micro constituyentes. 6.1.3.1 Austenita. Es el constituyente más denso de los aceros y está formado por una solución sólida por inserción de carbono en hierro gamma. La cantidad de carbono disuelto, varía de 0.8 al 2 % C que es la máxima solubilidad a la temperatura de 1130 °C. La austenita no es estable a la temperatura ambiente pero existen algunos aceros al cromo-níquel denominados austeníticos cuya estructura es austenita a temperatura ambiente.

La austenita está formada por cristales cúbicos centrados en las caras, con una dureza de 300 Brinell, una resistencia a la tracción de 100 kg/mm2 y un alargamiento del 30 %, no es magnética. 6.1.3.2 Cementita. Es el carburo de hierro Fe3C con un contenido fijo de carbono del 6,67%. Es el constituyente más duro del acero alcanzando una dureza de 68 HRC. También la morfología de la cementita es muy variada siendo destacables algunas estructuras típicas. En los aceros, la cementita libre, no asociada con otras fases suele aparecer en los aceros hipereutectoides, como cementita secundaria, formando una red continua enmarcando una estructura granular formada por colonias de perlita (fig. 1). También, aparece como consecuencia de una precipitación en estado sólido en aceros con muy poco carbono, como consecuencia de la disminución de la solubilidad del mismo por debajo de la temperatura de transformación eutectoide. Se conoce como cementita terciaria.

6.1.3.3Perlita. Es un micro constituyente bifásico. Está formado por granos alargados (considerando las tres direcciones son láminas) de cementita en una matriz ferrítica (Fig. 1). Cuando esta estructura laminar es muy fina (las láminas son muy delgadas) la perlita se ve al microscopio óptico como negra. Sin embargo ambas fases, ferrita y cementita, en condiciones normales de ataque son blancas. El color oscuro o negro lo producen el gran número de límites de grano existentes entre la matriz ferrítica y las láminas de cementita. Se comprende que cuanto más anchas sean las láminas (se habla entonces de perlita abierta o basta) la tonalidad se irá aclarando hasta poder distinguirse las distintas láminas, no por ello la perlita pierde su carácter de micro constituyente.

6.1.3.4 Bainita. Es el constituyente que se obtiene en la transformación isotérmica de la austenita cuando la temperatura del baño de enfriamiento es de 250 a 500°C. Se diferencian dos tipos de estructuras: la bainita superior de aspecto arborescente formada a 500-580°C, compuesta por una matriz ferrítica conteniendo carburos. Bainita inferior, formada a 250-4000C tiene un aspecto acicular similar a la martensita y constituida por agujas alargadas de ferrita que contienen delgadas placas de carburos. La bainita tiene una dureza variable de 40 a 60 Rc comprendida entre las correspondientes a la perlita y a la martensita.[24] 6.2 Tratamientos térmicos típicos. Casi todos los tratamientos térmicos de un acero tienen como fin originar una mezcla ferrita y de cementita. 6.2.1 Templado. Es un rpoceso de calentamiento de una pieza de acero a una temperatura dentro o arriba de su zona crítica, procediendo luego a un enfriamiento rápido. Si se conoce el contenido de carbono del acero, se puede obtener la temperatura adecuada a la cual el acero debe calentarse. 6.2.2 Revenido. El acero que se ha endurecido por temple rápido es frágil y no es adecuado para muchos usos. Mediante el revestido, la dureza y fragilidad pueden reducirse hasta un punto deseado para condiciones de servicio. Según se reducen su spropiedades, hay también una reducción de la resistencia a la tensión y un aumento en la ductilidad y en la tenacidad del acero. La operación consiste de un recalentamiento del acero endurecido por temple a una temperatura abajo de la zona crítica, seguido de un enfriamiento a cualquier velocidad. 6.2.3 Recocido. el propósito principal del recocido es suavizar el acero duro de tal forma que se pueda maquinar o trabajar en frío. Esto se lleva a cabo de ordinario, calentando el acero a una temperatura ligeramente arriba de la crítica, manteniéndola así hasta que la temperatura de la pieza sea

completamente uniforme, enfriándose después a una temperatura lenta y controlada de tal forma, que las temperaturas de la superficie y el núcleo de la pieza sean aproximadamente las mismas.[25] 6.2.4 Normalizado. El proceso de normalización consiste en calentar el acero de 10 a 40 0C arriba de la zona crítica superior y enfriar en aire suave a la temperatura ambiente. Este proceso se usa principalmente con los aceros de bajo y medio carbono, así como en aceros aleados para lograr una estructura granular más uniforme; para liberar los esfuerzos internos o lograr los resultados deseados, respecto a las propiedades físicas. La mayoría de los aceros comerciales están normalizados después de laminados o fundidos. 6.2.5 Esferoidizado. Es el proceso que produce una estructura en la cual la cementita tiene una estructura esferoidal. Si se calienta un acero lentamente a una temperatura exactamente a bajo de la zona crítica y se mantiene así por un periodo prolongado de tiempo, se puede obtener esta estructura. Puede también lograrse por calentamiento y enfriamiento alternativos en temperaturas inmediatamente arriba y debajo de la zona Ac1. La estructura globular que se obtiene mejora la maquinabilidad del acero. Este tratamiento es particularmente para aceros hipereutectoides que se deben maquinar. 6.2.6 Precipitación. El endurecimiento por precipitación, también llamado endurecido por envejecimiento, puede lograrse solamente con aquellas aleaciones en las cuales la solubilidad decreciente de un material en otro, según se reduzca la temperatura Si la aleación se enfría lentamente desde la temperatura en A, el material Al2Cu se precipita fuera de la solución sólida, ya que la solubilidad del cobre decrece grandemente a baja temperatura. Una aleación en esta condición no reacciona a un tratamiento de temple 6.2.7 Endurecimiento por solución sólida. Consiste en añadirle impurezas a un material. La impureza distorsiona a la estructura cristalina. A las dislocaciones les es más difícil moverse en esas dislocaciones. La resistencia del material aumenta. El grado de endurecimiento depende de lo siguiente:

1. La diferencia del tamaño entre soluto y solvente. A mayo diferencia se produce mayor distorsión, haciendo más difícil el deslizamiento. 2. la cantidad de soluto (elemento aleante añadido) añadido.

Los efectos de endurecimiento por solución sólida son los siguientes: a) la resistencia a la fluencia, a la tensión y dureza son mayores en las aleaciones. b) La ductilidad de una aleación es menor comparada con el metal puro. c) La conductividad eléctrica de la aleación es menor que la del material puro. d) La resistencia a la termofluencia mejora con el endurecimiento por solución sólida[26] 6.2.8 Endurecimiento por dispersión. Fenómeno físico en el cual pequeñas partes de un material desigual hacen más resistente la red espacial de un cristal metálico La técnica más moderna para el endurecimiento de los metales se conoce como endurecimiento por dispersión. Los efectos del endurecimiento por dispersión son similares a los de templado y el endurecimiento por precipitación, y se cree que se deben a mecanismos similares. El endurecimiento por dispersión se realiza mediante la mezcla de polvos metálicos finos, con

partículas muy finas de una sustancia cristalina inerte o utilizando partículas metálicas recubiertas por una capa de óxido Este procedimiento, podemos mencionar óxidos metálicos, nitruros, carburos y bonuros. Después de la mezcla del polvo metálico con las partículas inertes, se comprime y sinteriza el producto, y puede remoldarse por medio del trabajo adicional en caliente (a esta técnica se le llama metalurgia de polvos) 6.2.9 Endurecimiento por deformación. Si se aplica un esfuerzo estático mayor que el límite elástico y, luego, se retira, aplicando después un esfuerzo en el mismo sentido, se observará un nuevo límite elástico, mayor que el original. A este aumento de la resistencia elástica se le denomina endurecimiento por deformación; o sea; un aumento de la dureza o la resistencia, como resultado de la deformación. Estos efectos se ilustran en la figura 2.18.

Trabajos en frío y en caliente. Trabajo en frío. -existe endurecimiento por deformación -Se crean dislocaciones y estas quedan en el material -El material endurece -El trabajo en frío causa la deformación de los granos del material. Trabajo en caliente. -No existe endurecimiento por deformación -Se crean dislocaciones pero estas desaparecen por difusión .-El material no endurece. 6.3 Tratamientos térmicos típicos. 6.3.1 Cementación.

Es el método mas antiguo y conocido de producir una superficie dura es el temple superficial o cementación. Este proceso, consiste simplemente en calentar el hierro o el acero arriba de Ac1, mientras esta en contacto con un material carbonoso, el que puede ser sólido, liquido o gas. El hierro a temperaturas cercanas y mayores que su temperatura critica, tiene una afinidad por el carbono. El carbono es absorbido por el metal para formar una solución sólida con el hierro y convertir la superficie exterior en acero de alto carbono. Después el carbono se difunde gradualmente en el interior de la pieza. La profundidad de la capa depende de la temperatura y del tiempo del tratamiento. 6.3.2 Carbonitrurado. Es un procedimiento de temple superficial en el cual el acero se mantiene a una temperatura arriba de la zona crítica, en una atmósfera gaseosa de la cual absorbe carbono y nitrogeno. Cualquier gas rico en carbono con amoniaco puede utilizarse. La capa resistente al desgaste resultante, varía de 0.08 a 0.75 mm de espesor. 6.3.3 Cianurado. El cianuro o carbonitrurado líquido como se le llama algunas veces, es también un proceso que combina la absorción del carbono y nitrógeno para obtener dureza superficial en aceros de bajo carbono que no reaccionan al tratamiento térmico ordinario. La pieza por endurecer se sumerge en un baño de sales fundidas de cianuro de sodio a una temperatura ligeramente superior a la zona Ac1, dependiendo del tiempo de inmersión en la profundidad de la capa. Después, la pieza se templa en agua o aceite para obtener una superficie dura. Con este proceso pueden obtenerse fácilmente profundidades de capa de 0.10 a .40 mm. El cianuro se usa principalmente para el tratamiento de partes pequeñas. 6.3.4 Nitrurado. El Niturado es algo similar a la cementación ordinaria, pero utiliza material y tratamiento diferentes para lograr los componentes de la superficie dura. En este proceso, el metal se calienta a una temperatura alrededor de 510°C y se mantiene así por un periodo de tiempo, en contacto con gas de amoníaco. El nitrógeno del gas se introduce en el acero formando nituros muy duros los que se dispersan firmemente por toda la superficie del metal. Se ha encontrado que el nitrógeno tiene mayor capacidad de endurecimiento con ciertos elementos que con otros; de aquí se hallan desarrollado aleaciones de acero especiales de Niturado. El aluminio, en la zona de 1 a 1 ½ %, ha demostrado ser especialmente adecuado en el acero, ya que se combina con el gas para formar un componente muy estable y duro. El nitrurado líquido utiliza las sales de cianuro fundidas y; como en el nitrurado gaseoso, la temperatura se mantiene debajo de la zona de transformación. El nitrurado líquido agrega más nitrógeno y menos carbono que el cianurado. Se obtienen espesores de capa de 0.03 a0.030 mm, mientras que para nitrurado con gas el espesor de la capa pude ser hasta 0.64 mm. En general, las aplicaciones de los dos procesos de nitrurado son similares. Los aceros nitrurados, en virtud del contenido de su aleación, son mas resistentes que los aceros ordinarios y reaccionan rápidamente al tratamiento térmico. Se recomienda que estos aceros se maquinen y trate térmicamente antes del nitrurado, debido a que no hay oxidación ni es necesario trabajar posteriormente a este proceso. Una ves ya hecho el nitrurado la superficie resiste en forma

efectiva la acción del agua, de salpicaduras del agua salada, de los álcalis, petróleo crudo y gas natural.[27]

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