Fundición de Hierro Colado

Las fundiciones de hierro son aleaciones de hierro con:

• Carbono: del 2 al 5%
• Silicio: del 2 al 4%
• Manganeso: hasta 1%
• Bajo contenido de azufre
• Bajo contenido de fósforo

Microconstituyentes de las Fundiciones

Ledeburita

Se forma al enfriar la fundición líquida de 4.3% C desde 1145°C. Está formada por 52% de cementita y 48% de austenita de 2% C. No existe a temperatura ambiente en las fundiciones ordinarias debido a que, en el enfriamiento, se transforma en cementita y perlita.

Esteadita

Es un constituyente de naturaleza eutéctica, duro, frágil (300 a 350 Vickers) y de bajo punto de fusión (960°C). Aparece en las fundiciones de alto contenido en fósforo (más de 0.15% P).

Tipos de Fundición

Fundición Gris

La mayor parte del contenido de carbono en el hierro gris se presenta en forma de escamas o láminas de grafito, las cuales dan al hierro su color y sus propiedades deseables.

• Temperatura de Fusión: 1200°C
• Dureza: 140 a 250 Brinell
• Peso Específico: 7 a 7.2
• Propiedades: Es muy frágil, con una dureza baja (unos 80 a 100 HB), resistente al choque térmico y a la corrosión. Absorbe las vibraciones, tiene bajo costo y es poco soldable comparado con el acero.

Clasificación de las fundiciones grises según la norma ASTM A48-41:

• F: Ferrita
• P: Perlita
• G: Grafito
• B: Bainita

Fundición Blanca

Microestructura Típica de las Fundiciones Blancas

Todo el carbono se encuentra combinado bajo la forma de cementita. Son aleaciones hipoeutécticas y las transformaciones que tienen lugar durante su enfriamiento son análogas a las de la aleación de 2.5% de carbono. Se clasifican en:

• Fundición Blanca Perlítica:
  • Resistencia a la tracción: 21 kg/mm²
  • Tenacidad: 1.27-1.87 kgf
  • Dureza: 500-600 Brinell
• Fundición Blanca Martensítica:
  • Resistencia a la tracción: 35-42 kg/mm²
  • Tenacidad: 1.60-1.72 kgf
  • Dureza: 600 Brinell

Fundición Atruchada

Las fundiciones atruchadas son una variedad intermedia entre las fundiciones blancas y las fundiciones grises, donde el carbono se encuentra en forma libre (como láminas de grafito) y combinado (en la cementita). Generalmente se utilizan en aquellas aplicaciones que no requieren soportar grandes esfuerzos. Debido a su difícil maquinado, no tienen gran aplicación industrial.

Procesos de Fundición Especiales

Fundición al Vacío

Es un sistema de fusión que consiste en la colocación de un tallo sobre un crisol sellado. Al inyectar presión al centro del crisol, la única salida del metal fundido será el tallo, por lo que se genera el flujo del metal por el tallo hasta que se llena la matriz y se forma la pieza. Con este procedimiento se pueden fabricar piezas hasta de 30 Kg y es rentable para grandes cantidades de piezas sin grandes requerimientos de calidad.

Fundición Centrífuga

El proceso de fundición centrifugada o centrífuga consiste en depositar una capa de fundición líquida en un molde de revolución girando a gran velocidad y solidificar rápidamente el metal mediante un enfriamiento continuo del molde o coquilla. Existen tres tipos de fundición centrífuga:

• Centrífuga Real
• Semicentrífuga
• Centrifugado

Centrífuga Real

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 el molde sobre su eje de rotación.

Fundición Semicentrífuga

Método en el que el material fundido se hace llegar a los extremos de los moldes por la fuerza centrífuga que genera el giro de los moldes. Los extremos se llenan del material fundido con buena densidad y uniformidad. El centro tiene poco material o de poca densidad. Por lo regular, el centro en este tipo de sistemas de fundición es maquinado posteriormente.

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 cual es utilizada para aumentar la uniformidad del metal que llena las cavidades de los moldes.

Fundición a Baja Presión (Precisión)

También llamada fundición a baja presión, es otra variación de las fundiciones en molde permanente. Se aplica una presión baja, de hasta 1 atmósfera, con gas al metal fundido. Se mantiene esta presión sobre el metal hasta que se llene el molde y el material solidifique. La aplicación de esta presión compensa cualquier reducción de la pieza durante la solidificación.

La deformación es únicamente uno de los diversos procesos que pueden usarse para obtener formas intermedias o finales en el metal. El estudio de la plasticidad está comprometido con la relación entre el flujo del metal y el esfuerzo aplicado. Si esta puede determinarse, entonces las formas más requeridas pueden realizarse por la aplicación de fuerzas calculadas en direcciones específicas y a velocidades controladas.

Procesos de Conformado de Metales

Las máquinas, aparatos, herramientas y diversos artículos mecánicos están formados por muchas piezas unidas, tales como: pernos, armazones, ruedas, engranajes, tornillos, etc. Todas estas piezas obtienen su forma mediante diferentes procesos mecánicos (procesos de conformado): fundición, forja, estirado, laminado, corte de barras y planchas, y, sobre todo, mediante arranque de virutas.

3.2.1 Embutido Profundo y Prensado

El embutido profundo es una extensión del prensado en la que a un tejo de metal se le da una tercera dimensión considerable después de fluir a través de un dado. El prensado simple se lleva a cabo presionando un trozo de metal entre un punzón y una matriz. Latas para alimentos y botes para bebidas son los ejemplos más comunes. Este proceso puede llevarse a cabo únicamente en frío. Cualquier intento de estirado en caliente produce en el metal un cuello y la ruptura. El anillo de presión evita que el blanco se levante de la superficie del dado, impidiendo arrugas radiales o pliegues que tienden a formarse en el metal fluyendo hacia el interior desde la periferia del orificio del dado.

3.2.2 Laminado

Este es un proceso en el cual se reduce el espesor del material pasándolo entre un par de rodillos rotatorios. Los rodillos son generalmente cilíndricos y producen productos planos tales como láminas o cintas. También pueden estar ranurados o grabados sobre una superficie a fin de cambiar el perfil, así como estampar patrones en relieve. Este proceso de deformación puede llevarse a cabo, ya sea en caliente o en frío. El trabajo en caliente es usado muy ampliamente porque es posible realizar un cambio en forma rápida y barata. El laminado en frío se lleva a cabo por razones especiales, tales como la producción de buenas superficies de acabado o propiedades mecánicas especiales. Se lamina más metal que el total tratado por todos los otros procesos.

3.2.3 Forjado

En el caso más simple, el metal es comprimido entre un martillo y un yunque y la forma final se obtiene girando y moviendo la pieza de trabajo entre golpe y golpe. Para producción en masa y el formado de secciones grandes, el martillo es sustituido por un martinete o dado deslizante en un bastidor e impulsado por potencia mecánica, hidráulica o vapor. Un dispositivo utiliza directamente el empuje hacia abajo que resulta de la explosión en la cabeza de un cilindro sobre un pistón móvil. Los dados que han sustituido al martillo y al yunque pueden variar desde un par de herramientas de cara plana hasta ejemplares que tienen cavidades apareadas capaces de ser usadas para producir las formas más complejas.

Si bien el forjado puede realizarse ya sea con el metal caliente o frío, el elevado gasto de potencia y desgaste en los dados, así como la relativamente pequeña amplitud de deformación posible, limita las aplicaciones del forjado en frío. Un ejemplo es el acuñado, donde los metales superficiales son impartidos a una pieza de metal por forjado en frío. El forjado en caliente se está utilizando cada vez más como un medio para eliminar uniones y por las estructuras particularmente apropiadas o propiedades que pueden ser conferidas al producto final. Es el método de formado de metal más antiguo y hay muchos ejemplos que se remontan hasta 1000 años A.C.

3.2.4 Estirado

Este es esencialmente un proceso para la producción de formas en hojas de metal. Las hojas se estiran sobre hormas conformadas donde se deforman plásticamente hasta asumir los perfiles requeridos. Es un proceso de trabajo en frío y es generalmente el menos usado de todos los procesos de trabajo.

3.2.5 Extrusión

En este proceso, un cilindro o trozo de metal es forzado a través de un orificio por medio de un émbolo. Por tal efecto, el metal estirado y extruido tiene una sección transversal igual a la del orificio del dado. Hay dos tipos de extrusión: extrusión directa y extrusión indirecta o invertida.

• En la extrusión directa, el émbolo y el dado están en los extremos opuestos del cilindro y el material es empujado contra y a través del dado.
• En la extrusión indirecta, el dado es sujetado en el extremo de un émbolo hueco y es forzado contra el cilindro, de manera que el metal es extruido hacia atrás, a través del dado.

La extrusión puede llevarse a cabo, ya sea en caliente o en frío, pero es predominantemente un proceso de trabajo en caliente. En todos los procesos de extrusión hay una relación crítica entre las dimensiones del cilindro y las de la cavidad del contenedor, especialmente en la sección transversal.

Consideraciones sobre la Extrusión:

• El proceso se efectúa a una temperatura de 450 a 500 ºC con el fin de garantizar la extrusión.
• El diseño de la matriz se hace de acuerdo con las necesidades del mercado o del cliente particular.
• La extrusión nos permite obtener secciones transversales sólidas o tubulares que en otros metales sería imposible obtener sin recurrir al ensamble de varias piezas.

3.2.6 Estirado de Alambre

Una varilla de metal se aguza en uno de sus extremos y luego es estirada a través del orificio cónico de un dado. La varilla que entra al dado tiene un diámetro mayor y sale con un diámetro menor. En los primeros ejemplos de este proceso, fueron estiradas longitudes cortas manualmente a través de una serie de agujeros de tamaño decreciente en una «placa de estirado» de hierro colado o de acero forjado. En las instalaciones modernas, grandes longitudes son estiradas continuamente a través de una serie de dados usando un número de poleas mecánicamente guiadas, que pueden producir muy grandes cantidades de alambre, de grandes longitudes a alta velocidad, usando muy poca fuerza humana. Usando la forma de orificio apropiada, es posible estirar una variedad de formas tales como óvalos, cuadrados, hexágonos, etc., mediante este proceso.

3.2.7 Cizallado

El corte del metal implica su sometimiento a un esfuerzo de corte, superior a su resistencia límite, entre filos cortantes adyacentes como se muestra en la figura 22. Conforme el punzón desciende sobre el metal, la presión produce una deformación plástica que tiene lugar como en B en la figura. El metal se somete a un esfuerzo muy alto entre los filos de la matriz y el punzón, y las fracturas se inician en ambos lados de la lámina a medida que continúa la deformación. Cuando se alcanza el límite de resistencia del material, la fractura progresa; si el juego es correcto, y ambos filos tienen el mismo aguzado, las fracturas se encuentran en el centro de la lámina como se muestra en C. El valor del juego, que desempeña un papel importante en el diseño de matrices, depende de la dureza del material. Para el acero deberá ser del 5 al 8% del espesor del material por lado. Si se usa un juego inadecuado, las fracturas no coinciden, y en cambio, deben atravesar todo el espesor de la lámina, consumiendo más potencia.

1. Punzón en contacto con la lámina.
2. Deformación plástica.
3. Fractura completa.

Cizallas de Escuadrar

Esta máquina se usa exclusivamente para cizallar láminas de acero y se fabrica tanto para operación manual como la operada con motor. Se puede colocar lámina con un ancho mayor de 3m. Están provistas de pisadores hidráulicos cada 300mm para prevenir cualquier movimiento de la lámina durante el corte. En la operación, la lámina avanza sobre la bancada de manera que la línea de corte se encuentre bajo la cuchilla. Cuando se acciona el pedal, los pisadores descienden y las cuchillas cortan progresivamente a lo largo de la lámina.

3.2.8 Doblado y Formado

Se puede efectuar con el mismo equipo que se usa para corte, esto es, prensas operadas con manivela, excéntrico y leva. En donde esté considerado el doblado, el metal se somete a esfuerzos tanto en tensión como de compresión con valores inferiores a la resistencia límite del material, sin un cambio apreciable del espesor. Tal como en una prensa dobladora, el doblado simple implica un doblez recto a lo largo de la lámina de metal. Para diseñar una sección rectangular a doblar, uno debe determinar cuánto metal se debe dejar para el doblez, pues las fibras exteriores se alargan y las interiores se cortan. Durante la operación, el eje neutro de la sección se mueve hacia el lado de la compresión, lo cual arroja más fibras en tensión. Todo el espesor disminuye ligeramente, el ancho aumenta en el lado de la compresión y se acorta en el otro. Aunque las longitudes correctas para los dobleces se pueden determinar por fórmulas empíricas, están considerablemente influidas por las propiedades físicas del metal. El metal que se ha doblado, retiene algo de su elasticidad original y hay alguna recuperación de elasticidad después de retirar el punzón, a esto se le llama recuperación elástica.

Prensa Dobladora

Se usan para doblar, formar, rebordear, repujar, desbarbar y punzonar lámina metálica de bajo calibre. Tales prensas pueden tener espacio para lámina de 6 m de ancho y 16 mm de espesor. La capacidad de presión requerida de una prensa dobladora para un material dado se determina por la longitud de la pieza, el espesor del metal y el radio del doblez. El radio mínimo interior de doblez se limita usualmente a un valor igual al espesor del material. Para las operaciones de doblado, la presión requerida varía en proporción a la resistencia a la tensión del material. Las prensas dobladoras tienen carreras cortas y están equipadas generalmente con un mecanismo impulsor excéntrico.

3.3 Desprendimiento de Viruta por Maquinado

Conceptos Básicos del Desprendimiento de Viruta

La operación consiste en arrancar de la pieza bruta el excedente (material sobrante) del metal por medio de herramientas de corte y máquinas adecuadas. El objetivo fundamental en los Procesos de Manufactura por Arranque de Viruta es obtener piezas de configuración geométrica requerida y acabado deseado.

Metal Sobrante (Sobre espesor)

Es la cantidad de material que debe ser arrancado de la pieza en bruto, hasta conseguir la configuración geométrica y dimensiones, precisión y acabados requeridos.

Profundidad de Corte

Es la profundidad de la capa arrancada de la superficie de la pieza en una pasada de la herramienta; generalmente se designa con la letra «t» y se mide en milímetros en sentido perpendicular.

Velocidad de Avance

Es el movimiento de la herramienta respecto a la pieza o de esta última respecto a la herramienta en un periodo de tiempo determinado.

Velocidad de Corte

Es la distancia que recorre el filo de corte de la herramienta al pasar en dirección del movimiento principal (Movimiento de Corte) respecto a la superficie que se trabaja.

Tipos de Viruta

El tipo de viruta está determinado primordialmente por:

1. Propiedades del material a trabajar (físicas).
2. Geometría de la herramienta de corte.
3. Condiciones del maquinado (profundidad de corte, velocidad de avance y velocidad de corte).

Viruta Discontinua

Producida en la mayoría de los cortes de materiales frágiles (hierro fundido, latón fundido, etc.); los esfuerzos que se producen delante del filo provocan fractura (la deformación real excede el punto de fractura en la dirección de corte), de manera que el material se desprende en segmentos muy pequeños. Suele producirse un acabado superficial muy bueno, ya que el filo tiende a reducir las irregularidades.

Viruta Continua con Protuberancias

Este tipo de viruta representa el corte de materiales dúctiles a bajas velocidades, con una alta fricción sobre la cara de la herramienta.

Maquinado por Arranque de Viruta

El material es arrancado o cortado con una herramienta dando lugar a un desperdicio o viruta. La herramienta consta, generalmente, de uno o varios filos o cuchillas que separan la viruta de la pieza en cada pasada. En el maquinado por arranque de viruta se dan procesos de desbaste (eliminación de mucho material con poca precisión; proceso intermedio) y de acabado (eliminación de poco material con mucha precisión; proceso final).

Control Numérico por Computador (CNC)

También llamado CNC (en inglés Computer Numerical Control). El sistema se basa en el control de los movimientos de la herramienta de trabajo con relación a los ejes de coordenadas de la máquina, usando un programa informático ejecutado por un ordenador. El término “control numérico” se debe a que las órdenes dadas a la máquina son indicadas mediante códigos numéricos.

Tipos de Máquina Herramienta

Por la forma de trabajar, las máquinas herramientas se pueden clasificar en tres tipos:

• De desbaste o desbastadoras: que dan forma a la pieza por arranque de viruta.
• Prensas: que dan forma a las piezas mediante el corte, el prensado o el estirado.
• Especiales: que dan forma a la pieza mediante técnicas diferentes, como por ejemplo, láser, electroerosión, ultrasonido, plasma, etc.

Máquinas Herramienta Convencionales

• Torno: Es una de las máquinas más antiguas y trabaja mediante el arranque de material con una herramienta cortante y brocas. Para ello, la pieza gira y mediante un carro en el que se sitúa la herramienta se va desgastando la pieza obteniendo partes cilíndricas y cónicas.
• Taladros: Destinados a la perforación, estas máquinas herramientas son, junto con los tornos, las más antiguas. En ellas, el útil es el que gira y la pieza permanece fija a una mordaza o colocación.
• Fresadora: Con la finalidad de la obtención de superficies lisas o de una forma concreta, las fresadoras son máquinas complejas en las que es el útil el que gira y la pieza la que permanece fija a una bancada móvil. El útil utilizado es la fresa, que suele ser redonda con diferentes filos cuya forma coincide con la que se quiere dar a la pieza a trabajar.
• Pulidora: Trabaja con un disco abrasivo que va comiendo el material de la pieza a trabajar. Se suele utilizar para los acabados de precisión por la posibilidad del control muy preciso de la abrasión. Normalmente no se ejerce presión mecánica sobre la pieza.
• De Vaivén: Perfiladora: Se usa para la obtención de superficies lisas. La pieza permanece fija y el útil, que suele ser una cuchilla, tiene un movimiento de vaivén que en cada ida come un poco a la pieza a trabajar.
• Cepilladora: Al contrario de la perfiladora, en la cepilladora es la pieza la que se mueve. Permite realizar superficies lisas y diferentes cortes.

Prensas

No realizan arranque de viruta, dan forma al material mediante el corte o cizalla, el golpe para el doblado y la presión. Suelen utilizar troqueles y matrices como útiles. Los procesos son muy rápidos y son máquinas de alto riesgo de accidente laboral.

Máquinas Herramienta No Convencionales

• Electroerosión: Las máquinas de electroerosión desgastan el material mediante chispas eléctricas que van fundiendo partes minúsculas del mismo. Hay dos tipos de máquinas de electroerosión: las de electrodos, que realizan agujeros de la forma del electrodo o bien desgaste superficiales con la forma inversa de la que tiene el electrodo (hace grabaciones); y las de hilo que, mediante la utilización de un hilo conductor del que saltan las chispas que desgastan el material, van cortando las piezas según convenga. En ambos casos, durante todo el proceso, tanto el útil como la pieza están inmersos en un líquido no conductor.
• Arco de Plasma: Se utiliza un chorro de gas a gran temperatura y presión para el corte del material.
• Láser: En este caso es un potente y preciso rayo láser el que realiza el corte vaporizando el material a eliminar.
• Ultrasónica: Haciendo vibrar un útil a velocidades ultrasónicas, por encima de los 20.000 Hz y utilizando un material abrasivo y agua, se va realizando el mecanizado de la pieza por la fricción de las partículas abrasivas. Se usa para trabajar materiales muy duros como el vidrio y el diamante y las aleaciones de carburos.

Conceptos Adicionales

• Un abrasivo es una sustancia que tiene como finalidad actuar sobre otros materiales con diferentes clases de esfuerzo mecánico —triturado, molienda, corte, pulido—. Es de elevada dureza y se emplea en todo tipo de procesos industriales y artesanos.
• Avellanar: Hundimiento cónico en torno a un agujero o fresado donde cabe la cabeza de un tornillo para que quede enrasada en la superficie y no sobresalga de la misma.
• Escariar: Agrandar o redondear un agujero abierto en metal.