deformación en frio

Universidad Nacional de Ingeniera

Facultad de Ingeniera MecnicaDeformacin en frioMateria: Profesor: Alumnos: Carrizo Porras, Miguel Angel Dominguez Castillo, Manuel 20097024A 20090055I Ciencias de materiales II Vera

2010

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA

OBJETIVOS

Estudiar el efecto del trabajo en fro en el material de cobre: o Microestructura (Deformacin de los granos, orientacin, tamao de grano) o Correlacionar la microestructura con los cambios en las propiedades mecnicas (Dureza, Resistencia a la Traccin) debido al trabajo en fro. Estudiar el efecto del tratamiento trmico de regeneracin (Recuperacin, Recristalizacin, Crecimiento de grano), sobre la microestructura y propiedades mecnicas (Dureza, Resistencia a la Traccin) del material de cobre.

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INTRODUCCIONEn el siguiente informe se estudiar el comportamiento de dos temas principales en la asignatura de Materiales para Ingeniera como los es el trabajo en fro(deformacin en frio y el recocido. Estos dos temas son de gran importancia ya que mediante ellos se le puede propinar a cualquier material, en este caso el cobre, las caractersticas de forma y de microestructura que se desee, dependiendo de las necesidades que se presenten. El trabajo en fro, o deformacin en frio, se utiliza para deformar y endurecer el cobre simultneamente; estos trabajos de mucha utilidad en cuanto a piezas pequeas y adems se obtienen excelentes tolerancias dimensionales y acabados superficiales a travs de este proceso. El recocido, el cual se realiz en un horno de recocido, se emplea para eliminar los efectos del endurecimiento causados por la deformacin.

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FUNDAMENTO TEORICO Deformacin en frioEl Endurecimiento por deformacin o endurecimiento en fro es el endurecimiento de un material por una deformacin plstica a nivel macroscpico que tiene el efecto de incrementar la densidad de dislocaciones del material. A medida que el material se satura con nuevas dislocaciones, se crea una resistencia a la formacin de nuevas dislocaciones. Esta resistencia a la formacin de dislocaciones se manifiesta a nivel macroscpico como una resistencia a la deformacin plstica. En cristales metlicos, es usual que las dislocaciones formen una deformacin irreversible a escala microscpica, y terminan por producir una reestructuracin a medida que se propagan por la estructura del cristal. A temperaturas normales las dislocaciones se acumulan en lugar de aniquilarse, y sirven como defectos puntuales u obstculos que impiden significativamente su movimiento. Esto lleva a un incremento en la resistencia del material y a la consecuente disminucin en la ductibilidad.

El material se deforma a temperaturas que estn por debajo de la temperatura de rescristalizacin. Esto resulta en un proceso ms barato que si se trabajara al caliente. Usualmente la temperatura de operacin es la temperatura ambiente. Las propiedades del material se afectan cuando son trabajados al fro. Por lo tanto es necesario que el diseador conozca el impacto del cambio que sufre la pieza en sus propiedades en las condiciones de operacin de la pieza. ESTRUCTURA DE LAS MACLAS. El maclaje es un movimiento de planos de tomos en la red, paralelo a un plano especfico, de maclaje, de manera que la red se divide en dos partes simtricas diferentemente orientadas. La cantidad de movimiento de cada plano de tomos en la regin maclada es proporcional a su distancia del plano de maclaje, de manera que se forma una imagen especular a travs del plano de maclaje, segn se muestra en las figuras siguientes. En la figura 4.40, el plano de maclaje (111) corta al plano (110) a lo largo de la lnea AB', que es la direccin de maclaje. La figura 4.41 muestra el mecanismo de maclaje. El plano del papel es el (110) y se toman juntas muchas celdas unitarias. Cada plano (111) en la regin de maclaje se mueve tangencialmente a la direccin [112]. El primero, CD, se mueve un tercio de una distancia interatmica; el segundo, EF, se mueve dos tercios de una distancia interatmica; y el tercero, GH, se mueve un espacio entero.

Figura 4.40. Diagrama de un plano de maclaje y direccin de maclaje en una red c.c.c.

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Figura 4.41. Diagrama esquemtico de maclaje en una red c.c.c.

Si desde el tomo A' se traza una lnea perpendicular al plano de maclaje AB se tendr otro tomo C', exactamente a la misma distancia del plano maclado, del otro lado. Lo mismo es cierto para todos los tomos en la regin maclada, de modo que realmente se tiene una imagen especular en la regin maclada que refleja la porcin no maclada del cristal. Como los tomos terminan en espacios interatmicos, se ha cambiado la orientacin de los tomos por la distancia entre ellos. Generalmente la regin maclada comprende el movimiento de un gran nmero de tomos, y suele aparecer microscpicamente como una lnea o banda ancha, como se indica en la figura 4.42. Esta fotografa muestra bandas de maclaje en zinc; ntese como las bandas cambian de direccin en las fronteras de los granos.

Figura 4.42. Maclas de deformacin en un cristal de zinc puro.

El plano y la direccin de maclaje no son necesariamente los mismos que los del proceso de deslizamiento. En los metales c.c.c., el plano de maclaje es el (111) y la direccin de maclaje es la [112]; en los metales c.c., es el plano (112) y la direccin [111]. FORMACION DE MACLAS. Las maclas se forman como resultado del esfuerzo cortante aplicado en direccin paralela al plano de maclaje y que queda en la direccin de maclaje. La componente del esfuerzo axial, normal al plano de maclaje, no tiene importancia en la formacin de la macla. Al contrario que el deslizamiento, el esfuerzo cortante requerido para poder formarse una macla no es invariante respecto al plano de maclado, sino que pueden requerirse distintos valores en un campo bastante amplio. En el caso del zinc, los valores requeridos, de t, oscilan entre 5 y 35 MPa. En coherencia con esta tensin cortante variante, se ha evidenciado por experiencias que los centros de nucleacin para maclaje son posiciones de tensiones muy localizadas en la red. Significa que las maclas se forman solamente en metales que han sufrido deformacin previa por deslizamiento. Y justifica la condicin necesaria para la nucleacin de maclas: impedir el proceso de deslizamiento, formando barreras que prevengan el movimiento de dislocaciones en ciertas reas restringidas.

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Figura 4.43. Curva tensindeformacin de un cristal simple mostrando incrementos discontinuos de deformacin debidos al maclaje.

El crecimiento de las maclas es, primordialmente, funcin del esfuerzo requerido para su nucleacin. Este acta en las formas siguientes: a) Si se nuclean las maclas a esfuerzos muy bajos, el esfuerzo requerido para su crecimiento ser del mismo orden de magnitud que el esfuerzo de nucleacin. b) Si se forman las maclas bajo condiciones que resulten en niveles de esfuerzos muy elevados antes de la nucleacin, el esfuerzo por crecimiento puede ser mucho menor que por nucleacin. Cuando ste sucede, las maclas crecen con mucha rapidez, tan pronto como son nucleadas.

MECANISMOS DE ENDURECIMIENTO POR MACLADO. El maclado es un proceso de endurecimiento que siempre va asociado al deslizamiento, no puede considerarse por tanto independientemente. Esto significa que hay que considerarlo como mecanismo secundario al deslizamiento, y el endurecimiento que consigue debe ser consecuencia de multiplicar las acciones del endurecimiento por deslizamiento. En este sentido se justifica que las maclas incrementan el endurecimiento por: a) Dividen en tres partes la dimensin de los granos, con la incidencia que vimos tena el tamao de grano. b) Bloquea las dislocaciones que en ese momento estuvieran actuando en el monocristal con la consiguiente inhibicin del deslizamiento. c) Dificulta el movimiento de bordes de grano por la propia resistencia a compresin que impone la macla cuando el grano tiende a su estirado.

En consecuencia, el maclado es un mecanismo de endurecimiento que potencia la inhibicin de flujo plstico por deslizamiento, por particin del grano y bloqueo de los bordes.

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PROCESOS DE DEFORMACIN EN FRIOEl tipo de la herramienta puede usarse para clasificar las diferentes categoras de los procesos de deformacin. Los procesos industriales comunes se agrupan es seis categoras; embutido profundo o prensado, laminado, forjado, estirado, extruido y estirado de alambre (trefilado).

EMBUTIDO PROFUNDO Y PRENSADO El embutido profundo es una extensin del prensado en la que a un tejo de metal, se le da una tercera dimensin considerable despus de fluir a travs de un dado (Fig. 4). El prensado simple se lleva a cabo presionando un trozo de metal entre un punzn y una matriz, as como al indentar un blanco y dar al producto una medida rgida. Latas para alimentos y botes para bebidas, son los ejemplos ms comunes.

Figura 4. Embutido.

Como se ver ms adelante, este proceso puede llevarse a cabo nicamente en fro. Cualquier intento de estirado en caliente, produce en el metal un cuello y la ruptura. El anillo de presin en la Fig. 4, evita que el blanco se levante de la superficie del dado, dando arrugas radiales o pliegues que tienden a formarse en el metal fluyendo hacia el interior desde la periferia del orificio del dado.

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIALAMINADO Este es un proceso en el cual se reduce el espesor del material pasndolo entre un par de rodillos rotatorios (Fig. 5). Los rodillos son generalmente cilndricos y producen productos planos tales como lminas o cintas. Tambin pueden estar ranurados o grabados sobre una superficie a fin de cambiar el perfil, as como estampar patrones en relieve. Este proceso de deformacin puede llevarse a cabo, ya sea en caliente o en fro.

Figura 5. Laminado.

El trabajo en caliente es usado muy ampliamente porque es posible realizar un cambio en forma rpida y barata. El laminado en fro se lleva a cabo por razones especiales, tales como la produccin de buenas superficies de acabado o propiedades mecnicas especiales. Se lamina ms metal que el total tratado pro todos los otros procesos. EFECTOS DE LA CARGA DE LAMINADO Es esencial en los procesos de deformacin de metales que la herramienta est cargada slo en forma elstica mientras la pieza de trabajo fluye plsticamente. Esta deformacin elstica es, por lo general, tan pequea que puede ignorarse, pero ste no es el caso en el laminado. Existen dos razones. Una es que las cargas y esfuerzos de laminado pueden ser muy grandes, especialmente cuando la pieza de trabajo es delgada y endurecida por trabajo. La otra es que la herramienta en el laminado comprime todo el molino rodillo y carcaza que tiene dimensiones medibles en metros. Esta combinacin puede resultar en grandes deformaciones debidas a la deformacin elstica dividida entre la extensin del bastidor del molino (resorteo del molino), y el aplastamiento y flexionamiento de los rodillos.

APLASTAMIENTO DE LOS RODILLOS La pieza de trabajo pasando entre un par de rodillos es comprimida por el esfuerzo radial aplicado a ella, pero la reaccin es transferida a la carcaza y a los rodamientos del molino, los cuales tienen una cedencia limitada debido a sus grandes dimensiones. Si se intenta comprimir materiales delgados y duros, la reaccin se vuelve tan grande que los rodillos se deforman elsticamente y el radio de curvatura del arco de contacto es aumentado, Fig. 20. La extensin de este aplastamiento depende de la magnitud del esfuerzo de reaccin y de las constantes elsticas de los rodillos.

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Figura 20. Reaccin del metal ocasionando aplastamiento en los rodillos.

FLEXIONADO O COMBADURA DE RODILLOS Los molinos del tipo de cuatro rodillos, agrupado o Sendzimir han sido desarrollados con intencin de eliminar la flexin de los rodillos, ya que cualquier deflexin da lugar a que el metal producido sea ms grueso en su centro que en sus orillas. Mientras que esto sea posible, tal forma resultar en un producto fuera de tolerancia de calibre, el problema mayor es la prdida de forma. El metal se alarga ms en sus orillas que en su lnea de centro, resultando en diferentes longitudes a travs del ancho, como se muestra en la Fig. 21.

Figura 21. Flexin del rodillo

Esto slo puede ser acomodado por plegado o arrugado con la consecuente prdida de planicidad. Una vez que la tira de metal ha perdido su forma de esta manera, nunca puede recuperarla y debe ser desechada. Los intentos para evitar o limitar el flexionado de los rodillos involucran entre otros la disminucin de la carga de laminado. Esto ha dado lugar a rodillos de trabajo pequeos y a

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIAmolinos de cuatro rodillos. Pero aun con este tipo de molinos ocurre cierta flexin y sta es arreglada abombando los rodillos, es decir, dndoles forma de barril. La carga de laminado todava flexiona los rodillos, pero el perfil adyacente al material que se est laminando est recto. Debe notarse, sin embargo, que slo existe un valor de la carta de laminado que produce este perfil plano, Fig. 22.

Figura 22. Perfil del rodillo superior y efecto de la carga de laminado.

Con el laminado continuo de varios bastidores, la tensin entre cada bastidor se ajusta para mantener la carga de laminado en un valor constante y as lograr una superficie plana. Este es un aspecto importante del control de la forma en laminado de tiras. Un desarrollo reciente ha sido la introduccin de gatos hidrulicos en los cuellos de los rodillos, de este modo se altera la combadura de los rodillos mediante una flexin a los mismos. A la fecha los resultados indican que este mtodo tendr mucho xito en el control de la forma de las tiras. Todos los mtodos descritos hasta ahora involucran el laminado continuo donde puede emplearse tensin entre bastidores o al principio o final del molino continuo. En el laminado de hojas individuales esta tcnica para controlar la carga de laminado no puede usarse y, por tanto, el problema de controlar la forma se ataca de otra manera. Cook y Parker, en 1953 proyectaron una tcnica para calcular secuencias de laminado racionales, es decir, una secuencia de pasadas en los rodillos que para un metal dado, produciran la misma carga de laminado en cada pasada.

RESORTEO DEL MOLINO O DISTORSIN PLSTICA A la reaccin de la carga de laminado se le llama fuerza de separacin de rodillos y si stos no estuvieran sujetos en el cabezal del molino, tenderan a separarse y la reduccin del metal no sera posible. El rodillo superior empuja hacia arriba la parte superior del cabezal, mientras que el rodillo inferior empuja hacia abajo la base del mismo cabezal. En tal virtud, el cabezal est sujeto a esfuerzos de tensin, los cuales obviamente son menores que el esfuerzo de cedencia del acero fundido conque normalmente se construyen, pero existe una deformacin elstica que puede ser medida. Su magnitud depende de a) la carga de laminado, b) la seccin transversal del cabezal, y c) de la altura del cabezal. Si la extensin de esta deformacin es pequea, se dice que el molino es rgido o duro, mientras que si es grande, se dice que el

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIAmolino es suave o elstico. Esta deformacin del cabezal obviamente afectar el calibre del metal producido. Por ejemplo, si la holgura del molino se fija a 3 mm antes de alimentar el material a ser laminado, la entrada del metal provee la fuerza que origina que el cabezal se estire y que la holgura se incremente a digamos, 3.05 mm. El metal producido ser de 3.05 mm de espesor en lugar de 3.00 mm. Al ajuste de los rodillos antes de que entre el metal se le llama holgura pasiva de los rodillos, mientras que a la holgura real producida cuando pasa el metal a travs de ella, se le llama holgura activa de los rodillos. Es importante conocer la relacin entre las holguras pasiva y activa. Esta relacin se denomina mdulo del molino.

CONTROL AUTOMATICO DEL CALIBRE El calibre de una pieza laminada de metal puede variar a todo su ancho o a toda su longitud. Normalmente la variacin a travs del ancho est asociada con el control de la forma. La variacin a travs de la longitud se asocia con el control de calibre, el cual se ha transformado en un factor de primera importancia en el laminado moderno de tiras. Las demandas de los compradores de tolerancia cada vez ms cerrada en calibre, coincide con las siempre en aumento velocidades del molino, y para evitar la produccin de grandes cantidades de material "fuera de calibre", los molinos de tiras modernos invariablemente incluyen un control automtico de calibre. Este equipo corrige el molino siempre que se est produciendo material "fuera de calibre". Puesto que las correcciones no pueden aplicarse hasta que el material fuera de calibre ha pasado a travs de dispositivos sensores, una proporcin de tal material est siempre presente en el producto. Este es un sistema correctivo; un sistema mucho mejor sera uno basado en la anticipacin, colocando sensores antes del molino y usando las seales para variar la holgura de tal manera que se produjera material "en calibre" todo el tiempo. En la prctica no ha sido posible implementar tal sistema, ya que todos los parmetros del metal que pueden afectar la holgura activa de los rodillos, deben ser continuamente monitoreados e interpretados. Estos incluyen: esfuerzo de cedencia, calibre a la entrada, ancho, condicin de la superficie, y lograr esto en tiras que se mueven a velocidades de hasta 50 m/s es impracticable por el momento. Debido a lo anterior el sistema correctivo an se usa, con su desventaja inherente de producir siempre algo de material fuera de calibre, pero tiene la ventaja prctica de que solamente un parmetro, es decir, el calibre de salida necesita ser monitoreado. Los primeros sistemas de calibre automtico usaban radiacin y para medir el espesor. Estos eran colocados a una distancia de la salida del molino y los valores instantneos del calibre eran alimentados a un dispositivo el cual ajustaba los tornillos del molino, corrigindose de este modo la holgura de los rodillos. Esta tcnica, sin embargo, padeca de una limitacin llamada Velocidad - Retardacin. Considrese la Fig. 23, el calibre es monitoreado en B el cual en este caso est a una distancia de la salida del molino A. Si el material en B es muy grueso, la seal origina que el sistema de control empiece a cerrar la holgura. Cuando la holgura est en el valor correcto, la seal desde B es todava de producto grueso y el cierre continuar "sobrepasando" el ajuste correcto. Conforme el material delgado pasa desde A a B, el proceso comienza a invertirse y ocasiona un "seguimiento" en el sistema de control. Esto puede subsanarse insertando un dispositivo electrnico de retardamiento de manera que el ajuste del tornillo se efecte en bloques de tiempo en lugar de continuamente.

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Figura 23. Esquema general del control automtico del calibre. Aun con esta tcnica, grandes cantidades de material fuera de calibre pueden producirse. Mientras ms cerca est el monitor de la holgura de los rodillos, menor ser el efecto Velocidad - Retardacin, y en los molinos modernos el fenmeno ha sido eliminado usando cambios en las dimensiones del cabezal, las cuales estn relacionadas con los cambios en la holgura de los rodillos. La Asociacin Britnica de Investigacin del Hierro y el Acero fue pionera en el uso de medidores de deformacin por resistencia para la medicin de la fuerza de separacin de rodillos. Las seales obtenidas de tales dispositivos se han usado para activar arietes hidrulicos o motores para bajar los tornillos para ajustar la holgura. Estas tcnicas son llamadas mtodos de control S o SD. En el mtodo T la tensin del enrollador se mide y su ajuste se usa para controlar la forma o el calibre.

CONTROL AUTOMTICO DE CALIBRE - MTODO T _(CA C - T)7 Si uno de los parmetros de las tiras que entran a un molino aumenta, la carga para llevar a cabo la deformacin aumenta. Esto a su vez, causar un incremento en la fuerza de separacin de los rodillos y en la holgura activa de los mismos. La tira que sale del molino en consecuencia ser ms gruesa y posiblemente "fuera de calibre". La correccin puede lograrse si se reduce la carga en los rodillos a su valor original, ya que esto origina que la holgura activa de los rodillos retorne a su magnitud anterior. Una manera de lograr esto es alterando la tensin trasera o de entrada sobre la tira -si sta se incrementa, como se explic con anterioridad, el esfuerzo requerido para deformar el metal disminuir y, por tanto, la carga de laminado tambin. Este es el principio del CAC-T. La carga de laminado es monitoreado continuamente por medidores de deformacin, ya sean colocados en el cabezal del molino o entre los elevadores de tornillos y los rodamientos de los rodillos. Las variaciones en la fuerza de separacin de los rodillos y, por tanto, en la holgura activa de los rodillos, son instantneamente detectadas y las correcciones se aplican rpidamente en respuesta a seales elctricas. Este mtodo tiene varias desventajas. No puede usarse en laminado en caliente e impide el uso de tensin entre bastidores como medio para el control de la forma, Los molinos de laminacin modernos no usan CAC-T y utilizan variaciones de la tensin entre bastidores para el control de la forma. CONTROL AUTOMTICO DE CALIBRE-MTODO SD (CAC-SD)8

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El principio de este mtodo se resume en la Fig. 24. Con material con calibre a la entrada GO, y el molino ajustado a una holgura pasiva G, una carga de laminado L, se genera para dar un calibre de salida G.. Si el calibre de entrada se incrementa a G,,,, la holgura activa de los rodillos aumenta a G,', y probablemente se producirn tiras fuera de calibre, debido al hecho de que la carga de laminado ha aumentado a L2. Para corregir esto la holgura pasiva de los rodillos debe cerrarse a G,, incrementndose con esto la carga de laminado a 1-3. (Ntese la diferencia entre el mtodo CAC-T y el CAC-SI) en que en el primero la correccin se logra reduciendo la carga de laminado, mientras que en el segundo la carga de laminado es aumentada.)

Figura 24. Control automtico de calibre - mtodo sd (cac - sd)

CONTROL AUTOMTICO DE CALIBRE-MTODO S (CAC-S)9 Este es un intento para solucionar las dos mayores desventajas del mtodo CAC-SD; el desgaste que ocurre en los tornillos y unidades del molino y la alta inercia de los grandes y pesados tornillos del molino. La tcnica fue descrita por Sims y Slackg y est basada exactamente en los mismos principios del mtodo CAC-SD, excepto que la holgura pasiva de los rodillos se controla por medio de arietes hidrulicos, los cuales se colocan alrededor de los tornillos y tienen poca o ninguna inercia y sin problemas de desgaste.

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FORJADO En el caso ms simple, el metal es comprimido entre martillo y un yunque y la forma final se obtiene girando y moviendo la pieza de trabajo entre golpe y golpe. Para produccin en masa y el formado de secciones grandes, el martillo es sustituido por un martinete o dado deslizante en un bastidor e impulsado por una potencia mecnica, hidrulica o vapor. Un dispositivo utiliza directamente el empuje hacia abajo que resulta de la explosin en la cabeza de un cilindro sobre un pistn mvil. Los dados que han sustituido al martillo y al yunque pueden variar desde un par de herramientas de cara plana (Fig. 6), hasta ejemplares que tiene cavidades apareadas capaces de ser usadas para producir las domas ms complejas.

Figura 6. Forjado.

Si bien, el forjado puede realizarse ya sea con el metal caliente o fro, el elevado gasto de potencia y desgaste en los dados, as como la relativamente pequea amplitud de deformacin posible, limita las aplicaciones del forjado en fro. Un ejemplo es el acuado, donde los metales superficiales son impartidos a una pieza de metal por forjado en fro. El forjado en caliente se est utilizando cada vez ms como un medio para eliminar uniones y por las estructuras particularmente apropiadas u propiedades que puede ser conferida al producto final. Es el mtodo de formado de metal ms antiguo y hay muchos ejemplos que se remontan hasta 1000 aos A. C. El forjado por impacto puede ser dividido en tres tipos: a) Forjado de herrero. b) Forjado con martinete. c) Forjado por recalcado.

FORJADO DE HERRERO Este es indudablemente el ms antiguo tipo de forjado, pero en la actualidad es relativamente poco comn. La fuerza de impacto para la deformacin es aplicada manualmente por el herrero por medio de un martillo. La pieza de metal es calentada en una fragua y cuando se encuentra a la temperatura adecuada es colocada en un yunque. El yunque es una masa

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIApesada de acero con la parte superior plana, una parte en forma de cuerno la cual est curvada para producir diferentes curvaturas, y un agujero cuadrado en la parte superior para acomodar varios accesorios del yunque. Mientras est siendo martillado el metal, ste se sujeta con unas tenazas apropiadas. Algunas veces se usan formadores, stos tienen asas o mangos y el herrero los fija a la pieza de trabajo mientras el otro extremo es golpeado con un marro por un ayudante. Las superficies de los formadores tienen diferentes formas y son usados para conferir estas formas a las forjas. Un tipo de formador llamado copador, tiene un borde bien redondeado en forma de cincel y se usa para estirar o extender la pieza que se trabaja. Un copador concentra el golpe y origina que el metal se alargue ms rpidamente que como puede hacerse usando la superficie plana del martillo. Los copadores tambin son hechos como accesorios del yunque de manera que el metal es estirado usando copadores en la parte superior e inferior. En el agujero cuadrado del yunque pueden colocarse accesorios de varias formas. Los cinceles de trabajo son usados para cortar el metal, se usan punzonadores y un bloque con barreno de tamao adecuado para lograr barrenos. La soldadura puede hacerse dando forma a las superficies a ser unidas, calentando las dos piezas y agregando fundente a la superficie para eliminar la escoria e impurezas. Posteriormente las dos piezas son martilladas juntas producindose la soldadura. Los metales ms fciles de forjar son los aceros al bajo y medio carbones y la mayora de los forjados de herrero estn hechos de estos metales. Los aceros al alto carbono y los aceros con aleaciones son ms difciles de forjar y requieren mucho cuidado. La mayora de los metales no ferrosos pueden ser forjados satisfactoriamente.

FORJADO CON MARTINETE Este es el equivalente moderno del forjado de herrero en donde la fuerza limitada del herrero ha sido reemplazada por un martillo mecnico o de vapor. El proceso puede llevarse a cabo en forjado abierto donde el martillo es reemplazado por un mazo y el metal es manipulado manualmente sobre un yunque.

Figura 9. Martillo para forja por cada libre.

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIALa Fig. 9 muestra el martillo de cada libre. La calidad de los productos depende en mucho de la habilidad del forjador. El forjado abierto se usa extensamente para el proceso de espigado en donde la pieza de trabajo es reducida en tamao por golpes repetidos conforme el metal gradualmente pasa bajo la forja. La manera en que esto se logra se muestra en las Fig. 10 y 11 en donde el metal listo para ser deformado est indicado por el rea sombreada, la pieza de trabajo se mueve hacia la derecha.

Figura 10 - 11. Espigado.

El espigado de una barra prismtica puede usarse para evaluar los parmetros involucrados y cmo son controlados. El objetivo es reducir el espesor de la pieza de trabajo en una secuencia escalonada de extremo a extremo. Pueden requerirse varias pasadas para completar el trabajo y usualmente se efectuara un canteado para controlar el ancho. La reduccin en el espesor est acompaada por una elongacin y un extendimiento. Las cantidades relativas de elongacin y extendimiento no pueden calcularse tericamente pero han sido determinadas experimentalmente para aceros suaves. Se encontr que los valores actuales dependen de la relacin de la longitud de la herramienta a ancho del metal, la cual se denomina relacin de agarre.

FORJADO CON DADO CERRADO EN MARTINETE La forja con dado cerrado en martinete es ampliamente usada, el mazo y el yunque son reemplazados por dados. Los dados estn machihembrados para ser fijados en el yunque y en el mazo. Adems tienen una serie de ranuras y cavidades labradas en ellos y la pieza de trabajo se pasa en secuencia, a travs de las series de formado. La Fig. 9 ilustra el principio de una forja de impacto. La forja masiva es actualmente producida por el proceso de forja con dado y martinete. La Fig. 12 muestra un ejemplo de los dados usados para este proceso (el ejemplo muestra un dado de dos estaciones). El nmero de estaciones depender de la complejidad de la forja.

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Figura 12. Elementos tpicos de un dado para forja cerrada.

Estas estaciones tienen nombres tales como extendido, bloqueado, canteado, doblado y cortado. Donde se involucran varias estaciones, debe tenerse cuidado y asegurarse que el metal no se enfre demasiado, antes de llegar a la ltima estacin. Para asegurar que la cavidad del dado se llena completamente, el volumen del lingote o trozo inicial es mayor que el de la forja final. El exceso de metal aparece como "rebaba" en cada etapa, sta es aleta delgada alrededor del permetro de la forja en la lnea de particin. Esta rebaba es cortada posteriormente en una prensa, por lo general, a alta temperatura. El peso de la rebaba debe ser un pequeo porcentaje del peso total de las forjas de formas simples, pero puede exceder el peso de las forjas de forma complicada. De esta manera, cada tamao y forma de forja requerir un juego indepen-diente de dados de forja y recorte. La tolerancia de produccin para el metal Inicial debe incluir un exceso por ejemplo 10 0 2 mm. La sobretolerancia del metal es acomodada por un canal alrededor de la cavidad del dado, que permite la formacin de la aleta referida anteriormente.

FORJADO POR RECALCADO Este proceso fue desarrollado originalmente para colectar o recalcar metal para formar las cabezas de tornillos. Actualmente el propsito de esta mquina ha sido ampliado para incluir una vasta variedad de forjas. Es esencialmente una prensa de doble accin con movimientos horizontales en lugar de verticales. La mquina de forja tiene dos acciones. En la primera, un dado mvil viaja horizontalmente hacia un dado similar estacionario. Estos dos dados tienen ranuras horizontales semicirculares las cuales sujetan las barras. Una barra calentada en un extremo es insertada entre el dado mvil y el estacionario. Mientras est sujeta de esta manera, un extremo de la barra es recalcado o presionado dentro de la cavidad del dado por una herramienta cabeceadora montada sobre un ariete que se mueve hacia el frente de la mquina. Si se desean cabezas hexagonales, la herramienta cabeceadora recalcar algo del metal dentro de la cavidad de forma hexagonal del dado. Para forjas ms complejas pueden usarse hasta seis dados diferentes y herramientas cabeceadoras a un tiempo, de manera

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIAsimilar a las diferentes estaciones en un dado de forjado por martinete.

FORJADO EN PRENSA Mientras que el forjado por impacto usualmente involucra una prensa mecnica, por otro lado en el forjado en prensa se requerir de fuerza hidrulica. Las grandes forjas invariablemente son producidas en grandes prensas hidrulicas. Estas tienen arietes que se mueven vertical y lentamente hacia abajo, bajo presin considerable. El equipo requerido es, por tanto, mucho mayor y la Fig. 13 muestra este tipo de forja.

Figura 13. Elementos de una prensa para forja. Una prensa tpica de forja es capaz de cargas del orden de 6000 a 10 000 ton. Forjas de ms de 100 ton de peso pueden ser movidas fcilmente en estas prensas forjadoras y los productos de ms alta calidad son manufacturados por esta tcnica. ESTIRADO Este es esencialmente un proceso para la produccin de formas en hojas de metal. Las hojas se estiran sobre hormas conformadas en donde se deforman plsticamente hasta asumir los perfiles requeridos (Fig. 7) . Es un proceso de trabajo en fro y es generalmente el menos usado de todos los procesos de trabajo.

Figura 7. Estirado.

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EXTRUSION En este proceso un cilindro o trozo de metal es forzado a travs de un orificio por medio de un mbolo, por tal efecto, el metal estirado y extruido tiene una seccin transversal, igual a la del orificio del dado. Hay dos tipos de extrusin, extrusin directa y extrusin indirecta o invertida. En el primer caso, el mbolo y el dado estn en los extremos opuestos del cilindro y el material es empujado contra y a travs del dado. En la extrusin indirecta el dado es sujetado en el extremo de un mbolo hueco y es forzado contra el cilindro, de manera que el metal es extruido hacia atrs, a travs del dado.

Figura 8. Proceso de Hooker de impacto para tubos.

La extrusin puede llevarse a cabo, ya sea en caliente o en fro, pero es predominantemente un proceso de trabajo en caliente. La nica excepcin a esto es la extrusin por impacto, en la cual el aluminio o trozos de plomo son extruidos por un rpido golpe para obtener productos como los tubos de pasta de dientes. En todos los procesos de extrusin hay una relacin crtica entre las dimensiones del cilindro y las de la cavidad del contenedor, especialmente en la seccin transversal. Un ejemplo del proceso de extrusin por impacto, se da en la Fig. 8. En nuestros das, es posible extruir con xito los siguientes metales y sus aleaciones: Aluminio, cobre, plomo y acero, aunque para este ltimo se requiere una tcnica especial.

PRENSA DE EXTRUSIN DIRECTA Una prensa tpica para la extrusin de aleaciones de cobre, sera de alrededor de 5000 ton de capacidad de carga en el mbolo, y consistira de una pesada placa de acero recubierta con una aleacin de acero resistente al calor. Este podra acomodar un lingote de 560 mm de dimetro y 1 m de longitud. Ajustado dentro del contenedor mencionado estara un mbolo

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIAque tenga un dimetro menor que el barreno interior del contenedor. El propsito de este claro es doble, minimizar la friccin entre el mbolo y el contenedor y tambin permitir una calavera de metal para ser dejada despus que el lingote ha sido extruido. La razn para esta calavera de metal ser explicada ms adelante. Un cojincillo de presin precalentado se coloca entre el mbolo y el lingote a fin de prevenir el enfriamiento de la cola del lingote caliente desde el mbolo. El dado de extrusin est hecho de acero para herramienta resistente al calor y la forma del orificio junto con el orificio del soporte o paralelo son cuidadosamente preparados por el herramentero de la caseta de dados.

Figura 26. Grfica carga - movimiento.

El lingote fundido de dimensiones apropiadas a la prensa de extrusin y el producto se calienta a la temperatura de trabajo en caliente. Como una regla aproximada sta es de dos terceras partes de la temperatura de fusin en grados K, por ejemplo, aluminio 600 K, cobre 800 K. El lingote calentado se coloca en el contenedor, seguido por el cojincillo de presin, caliente. El mbolo se coloca en el contenedor y se aplica la presin. Cuando se opera, el lingote es recalcado y comprimido haciendo contacto por todos lados con el contenedor. Entonces incrementando la presin, el lingote es extruido a travs del orificio del dado. El metal sale del dado y corre sobre una canal. Colocando celdas de carga sobre el mbolo de extrusin, es posible seguir los cambios de la carga durante el ciclo de extrusin como se muestra en la Fig. 26. La carga se eleva bruscamente, mientras el lingote est siendo recalcado, pero una vez que comienza la extrusin la carga desciende. La rapidez de descenso es constante hasta que se ha extruido aproximadamente el 85% del lingote, cuando ocurre un paro sbito, seguido de una elevacin muy rpida hasta alcanzar la capacidad de carga de la prensa. En este punto la extrusin debe detenerse. Esto ocurre mientras an hay alrededor del 5 al 10% del sobrante del lingote y ste debe descartarse. La razn para esta elevacin final de la carga es fcil de explicar, es la misma razn por la que es imposible extruir la ltima pizca de pasta de dientes del tubo. Durante las primeras etapas de la extrusin, Fig. 27 (a), la fuerza aplicada debe provocar que el metal fluya hacia el dado, a lo largo de una trayectoria diagonal. Al final del ciclo de extrusin, la direccin del flujo del metal, llega a ser ms y ms perpendicular a la lnea de accin de la fuerza aplicada, Fig. 27 (b).

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Las razones para las otras caractersticas del diagrama carga/movimiento del mbolo, se explicarn ms adelante.

Figura 27. Esquema del flujo y la fuerza en un proceso de extrusin. Puesto que siempre hay una pequea cantidad de metal remanente, despus que se completa la extrusin, significa que debe prevenirse la remocin del dado y expulsar el descarte. La extrusin de cable forrado es un interesante ejemplo del proceso de extrusin directa. La Fig. 28 muestra una prensa vertical. El metal lquido se vaca en el contenedor, el cual es enfriado por vapor que pasa a travs de unos agujeros cuadrados. Se impulsa el mbolo hacia abajo hasta que hace contacto con el plomo fundido, el cual se deja solidificar antes de aplicar una mayor presin por el movimiento del mbolo. Esto est sincronizado con el movimiento de izquierda a derecha del cable y el plomo es extruido como un tubo a travs del orificio anular entre el cable y el dado. Puesto que la extrusin se detiene mientras todava hay plomo en el contenedor, la siguiente adicin de metal lquido causar una fusin parcial, dejando a los xidos flotar en la superficie y entonces la resolidificacin da un lingote continuo, listo para el siguiente elemento de extrusin. De esta manera, una longitud continua de forro sin uniones puede ser producida, el cual puede ser de una longitud sin fin.

Figura 28. Seccin diagramtica a travs del contenedor y dado de bloque de una prensa vertical para cable.

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIAPRENSA DE EXTRUSIN INVERTIDA El contenedor es similar a aquel del proceso de extrusin directa, excepto, que en lugar de un dado y un mbolo, en los lados opuestos del lingote hay un dado y un soporte del dado hueco en un lado del lingote. El soporte hueco del dado toma el lugar del mbolo. Esto debilita toda la prensa y limita el tamao de la seccin que puede ser producida por este proceso. El diagrama carga/movimiento del mbolo, para esta clase de prensa se muestra en la Fig. 29.

Figura 29. Grfica carga - movimiento para una prensa vertical.

Comparando la Fig. 26 con la Fig. 29, se observa que son muy similares al principio y al final, por las mismas razones, la diferencia en la seccin media puede considerarse por el hecho de que en la extrusin directa el lingote se mueve hacia el dado, es decir, se desliza a lo largo de la pared del contenedor con lo cual se produce una fuerza de friccin o carga. Esta carga de friccin depende del rea de contacto entre el lingote y el contenedor y puesto que sta es decreciente cuando el mbolo se mueve, de esta manera se hace que la carga de friccin disminuya con el movimiento del mbolo. En el caso de la extrusin invertida no hay movimiento relativo entre el lingote y el contenedor y, por tanto, no puede haber fuerza de friccin. Se requiere una carga mxima ms baja cuando se usa extrusin invertida, pero la ventaja de esta carga ms baja no puede ser capitalizada, debido al hecho, de que como se explic al principio, con extrusin inversa, la mxima reduccin posible en el proceso es limitada.

DADOS DE EXTRUSION Los dados de extrusin estn hechos de acero de alta velocidad para herramienta y son componentes muy importantes en el proceso de extrusin. Como el material del dado es demasiado caro, a menudo es hecho en forma de un disco delgado de dimetro mucho ms pequeo que el lingote soportado por un dado de refuerzo. El orificio del dado controla la forma del metal extruido. Si la abertura del dado consta de un barreno circular y paralelo, es decir, la longitud del

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIAsoporte es igual al espesor del dado, la extrusin ser una varilla circular que requiere una fuerza considerable para estirarla y tiene una pobre superficie de acabado. La superficie de acabado puede mejorarse y disminuir la carga, aumentando el dimetro del barreno en el extremo de descarga.

Figura 30. (a)Dado, (b)Resultado de la extrusin

En caso de formas complejas, tales como la que se muestra en la Fig. 30 (a), se encontrar que un barreno completamente paralelo, resultar en la produccin de una forma como la Fig. 30 (b). Esto es porque la resistencia a fluir a travs del rea sombreada del dado, es mucho mayor que a travs del residuo.

Figura 31.

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIAEsta resistencia puede reducirse "puliendo" o recortando el dado, de manera que la longitud de contacto con la extrusin sea reducida alrededor de las superficies externas del rea sombreada en la Fig. 31 (b). Qu longitud de soporte se requiere?, es una cuestin de experiencia, y se necesita un buen diseador de herramienta, para asegurar que el pandeo y torsin de la seccin extruida no ocurra y que el metal no tenga desgarres o filos speros. La Fig. 32 muestra por qu se requiere una abertura adicional para asegurar el balance del flujo, cuando se extruye una forma asimtrica.

Figura 32. Dado hecho con abertura adicional para balancear el flujo, cuando se extruye una seccin de forma asimtrica.

Un dado mltiple de extrusin puede usarse cuando la carga de extrusin es excesiva para una sola rea pequea de extrusin. Un nmero dado de secciones que pueden ser idnticas o de diferentes formas, pueden extruirse al mismo tiempo, cortando varios orificios como en la Fig. 33. Se acostumbra disponer de orificios idnticos, ya que de otra manera puede surgir el problema del balanceo del flujo.

Figura 33. Dado de extrusin para produccin mltiple de barras.

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIAPRODUCCION DE TUBOS EXTRUIDOS La extrusin es un mtodo ideal de producir tubos sin costura, y el principio del mtodo ya se ha utilizado en la extrusin de cable forrado. El cable en el centro del orificio circular del dado, forma un espacio anular a travs del cual el metal extruido fluye para formar el forro. Para la produccin de tubos, el cable se reemplaza por un mandril. Hay tres tipo, de arreglo, de mandril que pueden usarse: (a) fijo, (b) flotante, (c) perforante.

Los tipos (a) y (b) estn fijos al mbolo como se muestra en la Fig. 34 y el lingote debe perforarse de manera que el mandril pueda sobresalir a travs del lingote y tomar su posicin en el orificio del dado. La tendencia moderna es la de usar el mandril flotante, ms que uno fijo, puesto que l mismo se centra y, por tanto, produce tubos con concentricidad dentro del 1 %.

Figura 34. Tipos de arreglos del mandril.

Por otro lado, los mandriles fijos producen tubos excntricos a menos que se tenga cuidado, para perforar con precisin el lingote. Cuando se usa mandril perforador, el lingote es slido y el mandril se retrae dentro del mbolo. Despus que el lingote caliente se coloca dentro del contenedor, el mandril es empujado dentro del lingote y pasa a travs de l para colocarse en el orificio del dado. Las principales ventajas de este proceso son velocidad y economa, porque elimina la operacin de perforado por separado y el equipo especial requerido. Las desventajas son que las prensas requeridas, son mucho ms grandes y mucho ms caras que las del tipo sin perforador. La operacin severa de perforado, algunas veces da abundantes grietas y desgarres en el agujero del lingote produciendo defectos en el tubo. Por

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIAestas razones, el perforado no se lleva a cabo en tubos de aluminio y sus aleaciones, y se usa principalmente en aleaciones de cobre donde no son necesarios buenos acabados superficiales, requeridos en usos hidrulicos y de alta presin. Un desarrollo reciente ha sido la introduccin de dados puente, donde el mandril normal se ha reemplazado por uno ms pequeo, sostenido en posicin en el orificio del dado, por tres brazos delgados de araa, como se muestra en la Fig. 35.

Figura 35

El metal es rebanado por los tres brazos de araa cuando es extruido, para dar tres segmentos separados, pero stos son inmediatamente comprimidos por el soporte cnico del dado sin exponerse al aire, por lo que las superficies limpias se sueldan por presin, para formar un tubo completo. Cuando este proceso fue propuesto inicialmente, los clientes tendan a ser renuentes a aceptar el producto, que era considerado inferior a los tubos sin costura normales. Sin embargo, ahora se acepta que los tubos hechos con dados puente son tan buenos, si no es que superiores a los tubos extruidos normalmente. Esto en particular, es cierto con los productos recin desarrollados; dados puente de tres y cuatro aberturas se muestran en las Figs. 35 y 36.

Figura 36. Dado puente de cuatro aberturas.

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FLUJO DEL METAL DURANTE LA EXTRUSION Cada proceso de trabajo involucra la aplicacin de una fuerza o esfuerzo a la superficie del metal, para provocarle un flujo y un cambio de forma. Es importante conocer la relacin entre las fuerzas aplicadas y las direcciones del flujo, de manera que las formas finales requeridas y predecibles puedan producirse. El primer intento para estudiar el flujo del metal fue hecho por Siebel quien taladr agujeros verticales en una placa de hierro forjado y luego los obtur con pernos de hierro forjado. Esta placa se calent y se pas parcialmente por una parte de la trayectoria entre los rodillos de un molino de laminacin. La pieza fue removida y seccionada longitudinalmente para exponer los pernos como aparecen en la Fig. 37.

Figura 37. Estirado de alambre.

Siebel argumentaba que con esta tcnica era posible eslabonar en una muestra el metal que haba sido deformado, con el metal que estaba sometido a deformacin en el lmite de la pasada del rodillo. Un examen de la seccin muestra que la deformacin empieza en la superficie, por un deslizamiento hacia adelante y que es necesaria cierta reduccin mnima antes que el efecto haya penetrado hasta el centro. Tambin puede ser visto que para una reduccin dada en el espesor, el patrn de deformacin permanece constante, hasta que la deformacin es completa. A este tipo de patrn de deformacin se le llama casi esttico y es independiente del tiempo de duracin del ciclo de deformacin. Los conocimientos ganados con el experimento de Siebel, tomaron en cuenta el tipo de extremos del producto producido, esto es, las puntas y colas del tubo, que en la prctica requieren recortarse. Los defectos y mtodos de mejoramiento del flujo del metal tambin pudieron ser considerados y en consecuencia, la calidad del producto fue sugerida. Desde esta investigacin inicial de Siebel, el flujo del metal se ha investigado en todos los procesos de deformacin, usando tcnicas ms sofisticadas y los resultados de ambas deformaciones, cualitativas y cuantitativas. La extrusin probablemente ha sido el proceso que ms se ha investigado y Pearson ha hecho la ms grande contribucin al conocimiento del flujo del metal. El mayor problema cuando el flujo de metal se examina en la extrusin, es el hecho de que el patrn del flujo se altera con el tiempo, durante el ciclo de deformacin. La tcnica simple usada por Siebel en el laminado, no puede, por tanto, usarse en la extrusin y se requiere una investigacin ms detallada. En principio, la mejor tcnica sera hacer una pelcula del patrn de deformacin durante todo el ciclo. Esta entonces podra proyectarse en cmara lenta de manera que el patrn de deformacin pudiera ser seguido por todo el ciclo. Esta tcnica an no se ha usado en gran escala, pero ofrece posibilidades para el futuro.

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIAEs importante que el mtodo de investigacin no tenga influencia sobre el patrn de flujo. Siebel reconoci esto cuando obtur los agujeros con el mismo material de la placa, es decir, hierro forjado. El hecho de que los pernos se aflojaran demostr que su premisa no era vlida, ya que la presencia de los agujeros aun cuando rellenados, de hecho influy en el patrn de flujo. Sin embargo, al investigarse el flujo en la extrusin, puede aprovecharse el hecho de que debido a que el patrn de flujo es simtrico axialmente, no pueden existir esfuerzos de corte en planos longitudinalmente axiales. En otras palabras, si un lingote se corta longitudinalmente por la mitad y las dos mitades se colocan juntas y extruidas a travs de un dado, que est colocado axialmente, el hecho de que el lingote est cortado, no afectar el flujo. Por otro lado, si el dado se coloca asimtricamente, entonces es obvio que el lingote cortado, fluir en forma diferente a otro que no est cortado, como se muestra en la Fig. 38.

Figura 38

Pearson obtuvo una considerable cantidad de informacin, extrayendo un lingote cilndrico de estao que haba sido cortado en mitades a lo largo del eje y rayadas con un patrn regular de rejilla, sobre las interfaces planas y amarradas juntas con alambre. La extrusin fue fcilmente separada a lo largo del plano axial y la deformacin cuantitativamente impuesta desde el lmite de distorsin de la rejilla. El identific tres patrones bsicos: A, B y C, asociados con tres maneras de deformacin, ms tarde atribuidas a diferencias de friccin entre el lingote y las paredes de la cmara de extrusin (Fig. 39).

Figura 39

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIAEn el patrn de flujo tipo A, no hay friccin entre el lingote y el contenedor y el metal se desliza hacia la regin del dado, sin deformacin a todo lo largo. Esto se demuestra por el hecho de que las lneas horizontales del patrn de la rejilla permanecen as hasta que llegan a la vecindad del dado. Cerca del dado, el lado exterior del lingote es detenido por los hombros del contenedor mientras que la regin central fluye fcilmente dentro del dado. Esto produce la desviacin de las lneas horizontales. El grado de desviacin aumenta cuando la cola del lingote se acerca al dado. Esto es importante para el extremo final del tubo, lo cual ocurre siempre en los metales extruidos por la disminucin en la carga de extrusin durante los ltimos pasos del ciclo, justamente antes de la rpida elevacin final. El patrn de flujo tipo A es tpico del proceso de extrusin indirecta, cuando el dado es empujado dentro del lingote y no hay movimiento relativo entre ste y el contenedor. En el patrn de flujo tipo B, hay una cierta cantidad de friccin entre el lingote y el contenedor y esto tiende a retener el metal hacia atrs, cuando se est moviendo hacia el dado. Esto provoca desviacin al principio de la etapa, antes que el metal alcance la vecindad del dado. Al principio del ciclo, las desviaciones son mucho ms severas y un ducto ms profundo se forma en el metal. El tipo C, muestra el patrn de flujo cuando hay friccin adhesiva entre el lingote y el contenedor. La zona muerta del metal, la cual se forma en los hombros del dado, crece muy rpidamente y se extiende hacia atrs del mbolo. El flujo ocurre por corte a lo largo de un plano que est bajo la superficie, tomado de un trabajo sobre la extrusin de aluminio, por C. Smith. Mientras que el patrn de flujo tipo A es tpico de la extrusin indirecta, el tipo C es tpico de la extrusin directa de los metales duros, tales como el cobre y el aluminio. Este patrn de extrusin tipo C da lugar a dos clases de defectos. El primero es "defecto de extrusin", esto ocurre porque el flujo se realiza por corte bajo la superficie, el metal ms exterior est inmvil y es sacado por el mbolo con una accin similar a la de un removedor de nieve (ver Fig. 40).

Figura 40. Defecto de extrusin.

El metal de la zona muerta A no fluye, Fig. 40 (a). El mbolo saca el metal inmvil, Fig. 40 (b), el cual entonces puede empezar a fluir a lo largo de C dentro de la regin central del lingote. Desafortunadamente el metal de la zona muerta A contiene material oxidado en la superficie y cuando ste entra a la extrusin produce el "defecto de extrusin" (Fig. 41) que vuelve al material inaceptable. Una forma de evitar que ocurra este defecto, es usar un cojn de presin entre el mbolo y el lingote, que es de dimetro menor al del lingote [ver Fig. 25 (a)]. Este deja una calavera delgada sobre la pared de la cmara que incluye el metal oxidado de la superficie.

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Figura 41. Seccin fundida de una barra redonda con desprendimiento Del ncleo, como resultado del defecto de extrusin.

La segunda clase de defecto introducida por el patrn de flujo tipo C, es el 'agrietamiento de abeto". Puesto que el flujo tiene lugar por corte bajo la superficie, la deformacin y las velocidades de deformacin en la regin de corte, ambas deben ser muy altas (examinar la Fig. 41). Esto puede producir condiciones de deformacin adiabtica y la elevacin de temperatura resultante puede exceder la temperatura de solidificacin del metal produciendo fusin incipiente. El metal extruido no tiene ductilidad y la eyeccin desde el dado se realiza con estallidos espordicos para dar la muy caracterstica apariencia de abeto. Esto tiende a ocurrir en aquellas aleaciones de aluminio, donde la diferencia entre la temperatura mnima para trabajo en caliente y la temperatura de solidificacin es pequea.

Figura 42. Aumento de los grandes granos perifricos.

El intento para evitar la fusin incipiente por el uso de velocidades ms bajas del mbolo puede conducir al problema de grandes granos perifricos (Fig. 42). Esto ocurre si el lado

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIAexterior del lingote es enfriado abajo de la temperatura de recristalizacin, por el contacto con la pared del contenedor ms fra. Despus de la extrusin, el calor fluye desde el centro de la pieza extruida a las capas exteriores, elevndose desde abajo hasta arriba de la temperatura de recristalizacin. Por las condiciones especiales de extrusin de estas capas, la cantidad de trabajo en fro que se ha efectuado, es aquella cantidad crtica que resulta en la produccin de granos extremadamente grandes en la recristalizacin. Este material de grano grande tiene tan baja ductilidad que otra vez es inaceptable. C.S. Smith investig el problema de la extrusin de tales aleaciones de aluminio y encontr que debe ser ejercido conjuntamente un control muy estrecho sobre la temperatura de extrusin y la velocidad del mbolo para producir un material aceptable. El patrn de flujo en la extrusin es muy complejo y est cambiando continuamente durante todo el ciclo. Sin embargo, mucho trabajo se ha llevado a cabo para entender y explicar tales patrones, y del conocimiento obtenido los defectos de extrusin se han estudiado y mtodos para minimizarlos o aun para eliminarlos, tambin se han inventado.

DISTRIBUCION DE TEMPERATURA EN LA EXTRUSION La mayora de la extrusin industrial es esencialmente un proceso de trabajo en caliente donde el lingote se calienta a una temperatura uniforme antes de insertarlo en el contenedor. No obstante que el contenedor se calienta siempre a una temperatura ms baja que el lingote con el resultado de que el exterior de ste tiende a enfriar una vez que hace contacto con el contenedor. Esto ocurre al principio del ciclo de extrusin s las capas exteriores del lingote son continuamente enfriadas durante el resto del ciclo. La deformacin no es uniforme a travs de la seccin. De hecho se encuentra a lo largo de ciertos planos de corte, dando origen a muy altas reducciones localizadas, acompaadas por extremadamente altas velocidades de extrusin. Las velocidades de deformacin en estas zonas pueden ser tales que provo-quen considerables elevaciones de temperatura, bajo condiciones esencialmente adiabticas. Si estas elevaciones son excesivas, entonces el metal puede exceder su punto de fusin dando origen a fusin incipiente, y el metal extruido como se explic al principio ser expulsado desde la apertura del dado, en forma de explosiones, para dar la clsica fractura de "abeto".

Figura 43.

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIASi se hace un intento para eliminar la fractura de abeto disminuyendo la temperatura de precalentamiento del lingote, existe el riesgo de que se produzcan grandes granos perifricos, disminuyendo las propiedades mecnicas del material extruido. La explicacin de la formacin de estos granos grandes se ha dado en la Fig. 43.Este es un problema particularmente severo para las aleaciones de aluminio y ha sido estudiado por Smith. Una ilustracin de este fenmeno se ha dado en la Fig. 42. Smith concluye que para evitar granos grandes perifricos y fusin incipiente, es necesario imponer un control preciso de la temperatura de recalentamiento del lingote, temperatura del contenedor y velocidad del mbolo como se muestra en la Tabla 1.

Tabla1. Temperaturas tpicas de extrusin y velocidades para algunas aleaciones de aluminio.

La variacin de la temperatura en el interior del metal durante la deformacin como se ilustr antes tiene una influencia controlada sobre las propiedades del producto A propuestas. De Smith se investigaron los parmetros de operacin y se propusieron guas para la eliminacin de los mayores defectos del producto. Taer y Johnson han deducido un mtodo ms preciso que la versin cualitativa simplificada dada antes, para determinar la distribucin de temperaturas en la extrusin. Los problemas de transferencia de calor no existen durante la deformacin adiabtica y Johnson y Tanner investigaron procesos comerciales de extrusin a fin de encontrar qu tan cerca estn de las condiciones adiabticas. Ellos concluyeron que fueron muy precisos con las velocidades del mbolo de 25 mm, condicin que se vio para aplicar en los procesos industriales listados en la Tabla 1.

ESTIRADO DE ALAMBRE (TREFILADO) En ste, el dimetro de una pieza de metal cilndrica es reducido jalndola a travs de un agujero cnico que es el perfil interno de un dado de estirado. El metal cilndrico alimentado es inicialmente ahusado de manera que salga a travs del orificio del dado y pueda ser sujetado para el estirado. El equipo necesario puede encontrarse desde un simple banco de estirado para trabajo intermitente, hasta bloques mltiples para operacin continua. El bloque de estirado consiste de tres partes un sujetador o cabrestante para sujetar el arrollamiento de varilla lista para estirarse, el dado que es el que ejecuta realmente la reduccin y el bloque de estirado que suministra la carga y energa para la reduccin; ste tambin acumula, enrollado, el alambre ya estirado. Las tres partes se muestran en la Fig. 44.

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Figura 44. Elementos que componen el trefilado

Una fotografa de una mquina tpica, la cual se denomina bloque de estirar, se muestra en la Fig. 45 y en este caso el bloque de estirado es horizontal.

Figura 45. Bloque de estirado de 26", varilla estirada por paso simple a alambre de gran calibre.

El equipo mostrado tiene solamente un dado el cual debe cambiarse y reemplazarse por otro de menor dimetro despus de cada pasada completa. Tambin es posible estirar el alambre de manera continua, de tal manera que se pasa a travs de varios dados simultneamente. Debe haber, sin embargo, un bloque de estirado para cada dado. Una mquina continua que tenga cinco dados, tambin tendr cinco bloques de estirado, etc. Tal tipo de mquina se muestra en el diagrama de la Fig. 46.

Figura 46. Diagrama de una maquina continua de trefilado.

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIAUna fotografa de este tipo de mquina se muestra en la Fig. 47.

Figura 47. Mquina para trabajo pesado de dados mltiples usada para la produccin de alambre en rollos o carretes.

Puesto que el dimetro del alambre disminuye desde el dado 1 al dado 5, la velocidad y longitud aumentarn proporcionalmente. Por estas razones la velocidad perifrica de los bloques debe aumentarse a lo largo de la lnea. Esto puede lograrse por una de dos maneras. En la primera, cada bloque de estirado est equipado con su propio motor elctrico con control de velocidad totalmente variable, el cual puede ajustarse automticamente para sincronizar la velocidad del bloque con la del alambre. La Fig. 47 muestra este tipo de mquina. Tienen la desventaja de que son grandes y costosas debido a la inversin en la instalacin de los costosos equipos elctricos. El segundo tipo de mquina supera estas desventajas haciendo uso de un solo motor elctrico para mover una serie de conos escalonados. Los dimetros de los conos son tales, que generan una secuencia de velocidades perifricas equivalentes a una serie definida de reducciones de tamao. Tales mquinas estn, por tanto, diseadas para dar una reduccin especfica por pasada, como se ilustra en la Fig. 48.

Figura 48

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIANo es posible lograr una relacin precisa entre los dimetros del dado y del bloque que es esencial en este patrn, pero el estirado puede llevarse a cabo satisfactoriamente si la discrepancia no es muy grande. La discrepancia da como resultado que el material estirado se deslice hacia adelante o hacia atrs en los bloques mientras giran. Esto resulta en friccin y generacin de calor el cual se disipa sumergiendo el arreglo completo de conos escalonados en un bao de aceite. Por esta razn se denominan mquinas de Inmersin o de Deslizamiento, mientras que el primer tipo es descrito como mquina Sin Deslizamiento. La Fig. 49 muestra una fotografa de este tipo de mquina.

Figura 49. Mquina de estirado de conos escalonados. La parte ms importante de la mquina de estirado de alambre es el dado. Este consiste de dos partes, la cubierta y la boquilla. La cubierta est hecha de acero para dados de gran dimetro y de bronce para los pequeos, su funcin principal es proteger la boquilla. La boquilla, que est contenida dentro de la cubierta est hecha de carburo de tungsteno en los dados grandes y de diamante industrial en los pequeos. Debe ser hecha de un material extremadamente duro puesto que es la parte en donde se lleva a cabo la reduccin. La boquilla tiene un agujero en su centro el cual tiene un perfil definido. Una seccin de esta parte se ilustra en la Fig. 50.

Figura 50

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El perfil en s mismo consiste de cuatro partes: la campana (a), el cono (b), el cojinete (c) y la salida (d). La campana est formada de tal manera que el alambre que viaje en el dado Jalar lubricante con l. La forma de la campana ocasiona que la presin hidrosttica aumente y permita el flujo del lubricante en el dado. El cono de acercamiento tiene un ngulo definido con la lnea de centro y es la porcin donde el metal choca contra la superficie, como se muestra arriba. El metal se reduce en dimetro y es jalado a lo largo del acercamiento hacia la salida. La parte (c) es el cojinete del dado y constituye el mecanismo de reduccin. Como el perfil del dado se desgasta gradualmente conforme el alambre es estirado, la duracin del dado se aumenta alargando la longitud del cojinete. Mientras mayor sea la longitud del cojinete mayor ser la carga por friccin en el alambre que est siendo estirado, y si se hace demasiado grande, puede ocurrir la ruptura del alambre, ya que se requiere una carga de estirado demasiado alta. En la prctica, el ptimo usado es aquel en que la longitud del cojinete es dos tercios del dimetro o barreno. A la parte (d) se le llama salida, y permite que el metal resorte o se expanda conforme el alambre sale del dado. Si el perfil de la salida no es correcto, puede presentarse erosin en el alambre en este punto. El ngulo del dado es un parmetro importante en el estirado de alambre. Este es el ngulo que el acercamiento forma con la lnea de centro del dado, se muestra como a en la Fig. 50 (especficamente a es el semingulo y tiene significado por s mismo, como se ver posteriormente). El ngulo del dado controla en alto grado la carga de estirado (es decir, la carga que debe aplicarse al alambre que va sumergiendo del dado para jalar el restante a travs del dado [en el diagrama se muestra como L]). Para cada metal existe una carga de estirado para una reduccin dada. Lo anterior puede deducirse cualitativamente como sigue: en cualquier proceso de deformacin, la carga total est formada de tres componentes -la requerida para deformar el metal ideal u homogneamente. Esto est dado por L = so A In r, donde so es el esfuerzo de cedencia, A la seccin transversal apropiada del metal en que la carga es aplicada y r la reduccin lograda. Esta carga ideal es independiente del mtodo de trabajo y cuando es aplicada al estirado de alambre es independiente de e. El segundo componente de la carga de deformacin es aquel elemento requerido para vencer la friccin externa. Esto, en su caso, depende de una combinacin de la presin entre el metal que est siendo deformado y la herramienta; el coeficiente de friccin entre metal y herramienta, y el rea de la superficie de contacto entre el metal y la herramienta. En el estirado de alambre el rea de contacto disminuye conforme el ngulo del dado es aumentado. Con el ngulo de dado grande al, el rea de contacto es una corona circular basada en ab [Fig. 51 (a)], mientras que con un ngulo de dado pequeo a,, an para la misma reduccin, el rea de contacto es aumentada al tronco de cono del lado cd [Fig. 51(b)]. El tercer elemento es la carga para vencer el trabajo redundante. En el estirado de alambre la carga por trabajo redundante se aumenta con el ngulo del dado, como se muestra abajo. El trabajo redundante es el trabajo extra o desperdiciado que debe efectuarse para doblar las fibras de metal, primero en un sentido y despus regresarlas a la direccin original del flujo.

Figura 51

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Figura 52

Es obvio que se requiere ms energa para lograr esto en el caso de un ngulo de dado grande [Fig. 52 (a)] que en el caso de un ngulo de dado pequeo [Fig. 52 (b)]. La carga total de estirado, como formada por estos tres componentes, aparece en la Fig. 53 cuando se considera relacionada con ngulos de dados variables.

Figura 53

Se ha encontrado en la prctica que entre ms duro sea el metal, ser ms pequeo el ngulo mnimo de carga. Metal Aluminio Cobre Acero Angulo ptimo 24 12 6

El proceso industrial de fabricacin de alambre puede involucrar muy altas velocidades de estirado. El alambre en una mquina tpica de 15 dados, es la que el dimetro es reducido de

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA510 mm (0.020 plg.) a 200 mm (0.0076 plg.) tendr una velocidad de 70 m/s (12 000 pies por min.). A tales velocidades la mayora de la energa de deformacin aparece como un aumento de temperatura y para lograr su disipacin los dados y bloques son totalmente sumergidos en un bao de lubricante en circulacin, el cual tambin acta como refrigerante.

EL COBREEl cobre cuyo smbolo es Cu, es el elemento qumico. Se trata de un metal de transicin de color rojizo y brillo metlico que, junto con la plata y el oro, forma parte de la llamada familia del cobre, se caracterizada por ser de los mejores conductores de electricidad. Gracias a su alta conductividad elctrica, ductilidad y maleabilidad, se ha convertido en el material ms utilizado para fabricar cables elctricos y otros componentes elctricos y electrnicos.

Propiedades y caractersticas del cobre

PROPIEDADES FSICASEl cobre posee varias propiedades fsicas que propician su uso industrial en mltiples aplicaciones, siendo el tercer metal, despus del hierro y del aluminio, ms consumido en el mundo. Es de color rojizo y de brillo metlico y, despus de la plata, es el elemento con mayor conductividad elctrica y trmica. Es un material abundante en la naturaleza; tiene un precio accesible y se recicla de forma indefinida; forma aleaciones para mejorar las prestaciones mecnicas y es resistente a la corrosin y oxidacin. La conductividad elctrica del cobre puro fue adoptada por la Comisin Electrotcnica Internacional en 1913 como la referencia estndar para esta magnitud, estableciendo el International Annealed Copper Standard (Estndar Internacional del Cobre Recocido) o IACS. Segn esta definicin, la conductividad del cobre recocido medida a 20 C es igual a 58,1086 S/m.A este valor de conductividad se le asigna un ndice 100% IACS y la conductividad del resto de los materiales se expresa en porcentaje de IACS. La mayora de los metales tienen valores de conductividad inferiores a 100% IACS pero existen excepciones como la plata o los cobres especiales de muy alta conductividad designados C-103 y C-11.

PROPIEDADES MECNICASTanto el cobre como sus aleaciones tienen una buena maquinabilidad, es decir, son fciles de mecanizar. El cobre posee muy buena ductilidad y maleabilidad lo que permite producir lminas e hilos muy delgados y finos. Es un metal blando, con un ndice de dureza 3 en la escala de Mohs (50 en la escala de Vickers) y su resistencia a la traccin es de 210 MPa, con un lmite elstico de 33,3 MPa. Admite procesos de fabricacin de deformacin como laminacin

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIAo forja, y procesos de soldadura y sus aleaciones adquieren propiedades diferentes con tratamientos trmicos como temple y recocido. En general, sus propiedades mejoran con bajas temperaturas lo que permite utilizarlo en aplicaciones criognicas.

CARACTERSTICAS QUMICASEn la mayora de sus compuestos, el cobre presenta estados de oxidacin bajos, siendo el ms comn el +2, aunque tambin hay algunos con estado de oxidacin +1. Expuesto al aire, el color rojo salmn inicial se torna rojo violeta por la formacin de xido cuproso (Cu2O) para ennegrecerse posteriormente por la formacin de xido cprico (CuO). La coloracin azul del Cu+2 se debe a la formacin del in [Cu (OH2)6]+2. Expuesto largo tiempo al aire hmedo, forma una capa adherente e impermeable de carbonato bsico (carbonato cprico) de color verde y venenoso. Tambin pueden formarse ptinas de cardenillo, una mezcla venenosa de acetatos de cobre de color verdoso o azulado que se forma cuando los xidos de cobre reaccionan con cido actico, que es el responsable del sabor del vinagre y se produce en procesos de fermentacin actica. Al emplear utensilios de cobre para la coccin de alimentos, deben tomarse precauciones para evitar intoxicaciones por cardenillo que, a pesar de su mal sabor, puede ser enmascarado con salsas y condimentos y ser ingerido. Los halgenos atacan con facilidad al cobre, especialmente en presencia de humedad. En seco, el cloro y el bromo no producen efecto y el flor slo le ataca a temperaturas superiores a 500 C. El cloruro cuproso y el cloruro cprico, combinados con el oxgeno y en presencia de humedad producen cido clorhdrico, ocasionando unas manchas de atacamita o paratacamita, de color verde plido a azul verdoso, suaves y polvorientas que no se fijan sobre la superficie y producen ms cloruros de cobre, iniciando de nuevo el ciclo de la erosin. Los cidos oxcidos atacan al cobre, por lo cual se utilizan estos cidos como decapantes (cido sulfrico) y abrillantadores (cido ntrico). El cido sulfrico reacciona con el cobre formando un sulfuro, CuS (covelina) o Cu2S (calcocita) de color negro y agua. Tambin pueden formarse sales de sulfato de cobre (antlerita) con colores de verde a azul verdoso. que se emplean en los automviles. El cido ctrico disuelve el xido de cobre, por lo que se aplica para limpiar superficies de cobre, lustrando el metal y formando citrato de cobre. Si despus de limpiar el cobre con cido ctrico, se vuelve a utilizar el mismo pao para limpiar superficies de plomo, el plomo se baar de una capa externa de citrato de cobre y citrato de plomo con un color rojizo y negro.

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA PROPIEDADES BIOLGICASEn las plantas, el cobre posee un importante papel en el proceso de la fotosntesis y forma parte de la composicin de la plastocianina. Alrededor del 70% del cobre de una planta est presente en la clorofila, principalmente en los cloroplastos. Los primeros sntomas en las plantas por deficiencia de cobre aparecen en forma de hojas estrechas y retorcidas, adems de puntas blanquecinas. Las panculas y las vainas pueden aparecer vacas por una deficiencia severa de cobre, ocasionando graves prdidas econmicas en la actividad agrcola. El cobre contribuye a la formacin de glbulos rojos y al mantenimiento de los vasos sanguneos, nervios, sistema inmunolgico y huesos y por tanto es esencial para la vida humana. El cobre se encuentra en algunas enzimas como la citocromo c oxidasa, la lisil oxidasa y la superxido dismutasa. El desequilibrio de cobre en el organismo cuando se produce en forma excesiva ocasiona una enfermedad heptica conocida como enfermedad de Wilson, el origen de esta enfermedad es hereditario, y aparte del trastorno heptico que ocasiona tambin daa al sistema nervioso. Se trata de una enfermedad poco comn. Puede producirse deficiencia de cobre en nios con una dieta pobre en calcio, especialmente si presentan diarreas o desnutricin. Tambin hay enfermedades que disminuyen la absorcin de cobre, como la enfermedad celiaca, la fibrosis qustica o al llevar dietas restrictivas. El cobre se encuentra en una gran cantidad de alimentos habituales de la dieta tales como ostras, mariscos, legumbres, vsceras y nueces entre otros, adems del agua potable y por lo tanto es muy raro que se produzca una deficiencia de cobre en el organismo.

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MATERIALES Y EQUIPOProbeta de cobre

MATERIALES PARA LA DEFORMACIN EN FRIO

Comba MATERIAL DEL DESBASTE Lija de agua de 180,360,600,800,1000,1200

yunque

Agua

Vidrio

Probeta cortada de acero, cobre, bronce Maquina pulidora

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA Pao con alumina (Al2O3)

Alcohol

Acido ntrico

EQUIPO Microscopio metalografico Marca: Carl Zeiss Serie: 53238 Rango: 10x, 20x, 50x, 100x

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PROCEDIMIENTOLa probeta que se proporcionara se deber someter a una deformacin plstica en frio en el porcentaje que se indicaran (10%,15%,20%,30%,40%, 50%) con la ayuda del martillo(comba) y el yunque.

Una vez obtenido la deformacin deseada se proceder a pulir la probeta mediante un procedimiento llamado desbaste.DESBASTE Consiste en lijar la probeta de manera plana con lija al agua, iniciando con una lija menos

densa a ms densa. En nuestro caso empezamos con lija de 600 y avanzamos gradualmente a 800, 1000, 1200 con cada lija se pasaba nicamente en un sentido, al cambiar de lija de giraba la probeta 90 y se lijaba hasta eliminar las lneas perpendiculares. Al llegar a las lijas finales, se tena cuidado de no presionar mucho la probeta para no dejar huellas mayores de las que eran necesarias, Finalmente, se secaba la lija para comprobar el fin del procedimiento con la lija.

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Al comprobar el brillo parcial, se proceda a llevar la probeta al disco de abrillantado final, previa preparacin del disco con almina y agua

Finalmente precede al ataque qumico, el tiempo de permanencia es de acuerdo a la norma y terminado el tiempo del ataque qumico se sumerge en agua, se seca del centro hacia fuera y se procede a observar.

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Luego de observar la probeta que ha sidoatacada , por ultimo medimos su dureza.

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