TALLER TRATAMIENTOS TÉRMICOS GRADO OCTAVO FUNDICIÓN EN ARENA

La fundición en arena es el proceso más utilizado para la fabricación de piezas metálicas tales como corazas de motores, piezas para maquinaría, joyas y gran variedad de figuras

complejas. La fundición implica tres procesos diferentes: en primer lugar se construye un modelo de madera, plástico o metal con la forma del objeto terminado; más tarde se realiza un molde hueco rodeando el modelo con arena y retirándolo después, y a continuación se vierte metal fundido en el molde (este último proceso se conoce como colada). Después de solidificado el material dentro del molde, este se retira, generalmente rompiendo la estructura de arena y a continuación se realizan procesos de limpieza e inspección.

En la fundición, la arena mas utilizada es sílice, ya que este presenta buenas propiedades refractarías (debe tenerse en cuenta que la temperatura a la cual se funden los metales es bastante alta), la arena de sílice resiste altas temperaturas sin fundirse o degradarse. En la fabricación de moldes, los granos de arena se aglutinan por medio de una mezcla de agua y

arcilla. Existen varios factores por los cuales se puede juzgar la calidad de los moldes de arena: Por su resistencia, permeabilidad, estabilidad térmica y reutilización. 1. Resistencia: capacidad del molde para mantener su forma y soportar la erosión del

metal fundido.

2. Permeabilidad: capacidad del molde para permitir que el aire caliente y los gases de fundición pasen a través de los poros de la arena.

3. Estabilidad térmica: capacidad de la arena para resistir el agrietamiento y encorvamiento en contacto con el metal fundido.

4. Retractibilidad: capacidad del molde para dejar que la fundición se contraiga sin agrietarse.

5. Reutilización: capacidad del molde para dejarse usar más de una vez.

Aunque la mayor parte de las veces los moldes tienen fines repetitivos, es decir son reutilizados, existen procesos alternativos de fundición en moldes desechables que han sido desarrollados para suplir necesidades especiales. A continuación se presentan dos de las técnicas mas utilizadas industrialmente en la fabricación alternativa de modelos por fundición.

HISTORIA

Los métodos antiguos para la fabricación del acero consistían en obtener hierro dulce en el horno, con carbón vegetal y tiro de aire; expulsión de las escorías por martilleo y carburación del hierro dulce para cementarlo. Luego se perfeccionó la cementación fundiendo el acero cementado en crisoles de arcilla y en Sheffield (Inglaterra) se

obtuvieron, a partir de 1740, aceros de crisol. A mediados del siglo XIX se extendió la fabricación del acero merced a métodos más perfeccionados: el de Bessemer, que consiste en la descarburación de la fundición por inyección de aire; el de cementación, por carburación de hierro puro o dulce; el procedimiento Martin Siemes, por descarburación de la fundición de hierro dulce y óxido de hierro. Modernamente se utilizan algunos metales y metaloides en forma de ferroaleaciones, los cuales, unidos al acero, le comunican

cualidades de dureza y resistencia jamás vistas.

METALES Aunque en la actualidad se están descubriendo nuevos materiales cerámicos y plásticos que

en algunas aplicaciones industriales sustituyen ventajosamente a los metales, están muy lejos de sustituirlos plenamente. El principal inconveniente en el uso de metales esta en el agotamiento de yacimientos mineros, nuevas necesidades industriales y la oxidación por corrosión de ciertos agentes químicos y atmosféricos. Desde el punto de vista de su uso podemos clasificar los metales en puros y aleaciones.

METALES PUROS

El uso de los metales puros se centra en muy pocas aplicaciones, ya que aunque resultan difíciles de obtener tienen una buena resistencia a la corrosión y alta conductividad eléctrica que les favorece para aplicaciones concretas como el caso de los hilos de oro en circuitos integrados o procesadores de información. Estos metales no presentan porcentajes de carbono ni de otro metal en su composición química, es decir que si se trata de oro, se

presenta en su composición química un 100% de oro, 0% de carbono y 0% de algún otro metal. ALEACIONES

Por aleación se entiende la unión íntima de dos o más metales en mezclas homogéneas (completamente mezcladas). Es muy raro encontrar aleaciones al estado natural; se las

obtienen por fusión (paso del estado sólido a líquido), mediante el aumento de la temperatura, al estado sólido. Cuando interviene el mercurio (Hg) queda al estado líquido, en cuyo caso se denomina amalgama. Cuando se obtiene una aleación homogénea y bien definida se denomina eutéctica. Se podría determinar como aleación por ejemplo al bronce

en cuya composición se encuentra el cobre, el estaño y carbono en una mezcla homogénea

pero cada uno de sus componentes en porcentajes diferentes.

CELDA UNITARIA

Una de las principales características de los metales puros y aleaciones es que al solidificar después de un proceso por fusión, en su estructura atómica, se forman figuras

geométricamente definidas, las cuales cambian dependiendo de la velocidad con la que el metal se enfrié, pueden ser cubos, hexágonos, tetraedros o cualquier otro tipo de poliedro o figura geométrica tridimensional. A dichas figuras se les conoce como celdas unitarias y de la forma geométrica de dichas celdas dependen las propiedades mecánicas y térmicas de los metales.

GRANOS METALICOS

Al juntarse una gran cantidad de celdas unitarias (millones de millones), se van formando unas estructuras más grandes denominadas granos, cuya forma depende de la figura geométrica de la celda unitaria que le dio origen a dicho grano. Estos granos se conforman durante el enfriamiento de los metales después del proceso de fusión y su tamaño depende

de la velocidad con la cual sea enfriado el metal después de fundido. Del tamaño y forma del grano dependen las propiedades de los metales. Lo que hace que unos sean más duros que otros no solo depende de su composición química, sino del tratamiento térmico con el cual sean conformados. Un ejemplo de esto es el alambre dulce (utilizado en construcción) y los alambres acerados (utilizado en ejes o rayos de bicicleta),

si tomamos dos barras del mismo diámetro de metal y una de ellas es de alambre dulce y la otra de acero, ¿Cuál de las dos será más fácil de doblar?, al realizar el experimento podremos notar que las dos barras poseen diferentes propiedades, lo cual quiere decir que a pesar que en su composición química las dos tienen hierro (Fe) y carbono (C), fueron conformadas bajo tratamientos térmicos diferentes, lo cual definió la figura geométrica de sus celdas unitarias y la forma y tamaño de sus granos.

PROPIEDADES DE LOS METALES

Las propiedades de los metales varían de manera dramática en la medida en que en el interior de las celdas unitarias se generen tensiones o fuerzas que cambien la forma y tamaño de los granos, estas fuerzas pueden hacer que un metal adquiera mayor o menor resistencia a diferentes tipos de esfuerzos tales como: tracción, torsión y compresión.

En los metales se pueden definir dos tipos de propiedades generales en las cuales se encuentran la dureza y la tenacidad. La dureza es la capacidad que tiene un material de soportar esfuerzos sin deformarse permanentemente, es decir la capacidad de un metal para no dejarse rayar. Hay diversas formas de medir la dureza, la mayoría consiste en utilizar un pequeño, dispositivo que trata de penetrar el material que puede ser un pequeño balín o una aguja.

La tenacidad es la resistencia que opone un metal a ser roto, molido, doblado o desgarrado. Para describir las distintas clases de tenacidad en los metales se utilizan los términos:

Frágil (fragilidad): Cualidad de un mineral relativa a la facilidad de romperse o

reducirse a polvo.

Maleable (maleabilidad): Cualidad de un mineral relativa a la facilidad de conformarse en hojas delgadas.

Sectil (sectilidad): Cualidad de un metal relativa a la facilidad para cortar en virutas

delgadas con un cuchillo.

Dúctil (ductilidad): Cualidad de un metal relativa a la facilidad de estirarlo en forma de hilos.

Flexible (flexibilidad): Cualidad de un metal relativa a la facilidad para ser doblado, pero sin recuperar su forma original una vez que termina la presión que lo deformaba.

Elástico (elasticidad): Cualidad de un metal relativa a la facilidad para recobrar su

forma primitiva al cesar la fuerza que lo ha deformado.

METALES FERROSOS Y NO FERROSOS

Un metal es un material distinguido por su capacidad para conducir calor y electricidad.

Están agrupados en la tabla periódica de los elementos. Tienen de 1 a 3 electrones de valencia (en su ultima orbita). Los metales tienen ciertas propiedades físicas características: pueden ser brillantes, tener alta densidad, ser dúctiles y maleables, tener un punto de fusión alto, ser duros, y ser buenos conductores del calor y electricidad.

Para el uso industrial se realiza una clasificación de los metales en aquellos que poseen

hierro (Fe) por sus siglas FERROSOS y aquellos que no poseen hierro es decir NO FERROSOS, siendo los ferrosos los mas comercialmente utilizados, puesto que por sus propiedades resultan ser mas eficaces en aplicaciones tanto comunes como complejas, dentro de los metales no ferrosos encontramos al cobre, aluminio, mercurio, estaño, titanio, plomo, galio, germanio etc.… y dentro de los ferrosos encontramos al hierro en su estado

natural o FERRITA, aceros y fundiciones.

ACEROS Y FUNDICIONES

Los aceros son aleaciones de hierro-carbono forjables (golpeado o martillado), con

porcentajes de carbono variables entre 0,008 y 2,14%. La mayoría de las fundiciones comerciales no superan el 1.8% de carbono. A partir del 2 % de carbono la aleación se denomina arrabio o fundición, es decir que un metal que tenga 99% de hierro (Fe) y 1% de carbono (C) se denomina acero y uno que tenga por ejemplo 97,5% de hierro y 2,5% de carbono se denomina fundición.

La diferencia fundamental entre ambos materiales es que los aceros son, por su ductilidad

(facilidad para ser doblado), fácilmente deformables en caliente utilizando forjado, laminación o extrusión (presionado por rodillos), mientras que las fundiciones son frágiles (facilidad para quebrarse) y se fabrican generalmente por fundición. Otra diferencia es que los aceros pueden ser sometidos a diferentes tratamientos térmicos con los cuales potenciar

o perder sus propiedades, mientras que las fundiciones no soportan los tratamientos térmicos hasta volverse al punto de fusión.

TRATAMIENTOS TÉRMICOS

El tratamiento térmico en los metales es uno de los pasos fundamentales para que puedan alcanzar las propiedades mecánicas para las cuales están creados. No todos los metales pueden ser utilizados en las mismas aplicaciones, no sería prudente utilizar un metal con

bajo punto de fusión (que se derrite fácilmente) para fabricar las alas de un trasbordador espacial, o utilizar un metal frágil para construir la carrocería de un vehículo blindado. La clave de los tratamientos térmicos consiste en las reacciones que se producen en el material, tanto en los aceros como en las aleaciones no férreas, y ocurren durante el proceso de calentamiento y enfriamiento de las piezas, con unas pautas o tiempos establecidos.

Temple. El temple tiene por objeto endurecer y aumentar la resistencia de los aceros. Para ello, se calienta el acero a una temperatura ligeramente más elevada

que la crítica (estado pastoso) - (entre 900-950ºC) y se enfría luego más o menos rápidamente (según características de la pieza) en un medio como agua o aceite.

Revenido. Es un tratamiento habitual a las piezas que han sido previamente

templadas. El revenido consigue disminuir la dureza y resistencia de los aceros templados, se eliminan las tensiones creadas en el temple y se mejora la tenacidad, dejando al acero con la dureza o resistencia deseada. Se distingue básicamente del

temple en cuanto a temperatura máxima y velocidad de enfriamiento. Recocido o normalizado. Consiste básicamente en un calentamiento hasta

temperatura de austenización (800-925ºC) seguido de un enfriamiento lento. Con este tratamiento se logra aumentar la elasticidad, mientras que disminuye la dureza. También facilita el mecanizado de las piezas al homogeneizar la estructura, afinar el grano y ablandar el material, eliminando la acritud que produce el trabajo en frío y

las tensiones internas. Con este tratamiento se pretende dejar el metal en un estado natural o normal.

TALLER

1. En su cuaderno dibuje el proceso de fabricación de piezas por fundición en arena.

2. Realice un resumen de la historia de los metales. 3. Establezca diferencias entre los metales puros y las aleaciones. 4. Explique de manera clara la relación existente entre celda unitaria y grano metálico. 5. Explique de que manera la temperatura influye en las propiedades de los metales. 6. Que es la dureza y cuantas clases de tenacidad existen. 7. Realice una lista de metales ferrosos y no ferrosos que se encuentren en el mercado.

8. Establezca diferencias entre aceros y fundiciones. 9. Que son los tratamientos térmicos, en que consisten y cual es el objetivo de cada

uno.