Metalurgia Ferro c6ez

. del alüminto Caños de act>ro con costura Caiío5 :Hn : o .; t.'. ll'.\ . • .. .. .. .. .. . .. . .. . .. .

il'

Vlil.

Latones. Bronc
~OB RE-

PLASTICOS, CAUCHO, MADERAS· - Conot:imtento de p!á:aico:; usados en la industria. Moldeo de plá!!ticos. Prensado. Inyección . Extruslón. Caucho natural. Caucho sintético. Maderas u sadas en la industria. Clasificación de las maderas. Maderas nacionales y extranjeras. Trata miento para su protección . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

111

X

C'ORROSION U OXIDACION -· Tcor:a d~ ia corroswn. Protección contra la oxidación. Decap:tdo. E.m;ultado. Zincado. Fosfatizado Pmtado. Distintos métodos . T;pos de pinturas. Equipos empleados

121

APENDICE - Nociones de m etalografía. E.>trucllU'a granular de los metales. Aleaciones. Diagramas. Diagrama:; de las aleaciones de hierro con carbono. Endurecimiento por temple del acero. Tratamientos térmicos Tratamientos isotérm icos . . . . .

129

TABLAS Tabla Tabla Tabla

Tabla de acero:.; ai carbono de aceros aleados para h errauuenta:; . . .. . . ..... . .. . de aceros para fa bricación :J..~ ~stampas . . .. . ...... . ejemplo de aceros especial!:!-; . . . . . .. . . .. . ... . .. .. .

154/155 154/155 156/ 157 156/157

1 Co mbustión

:.-a combustion es :.m

t= l C•l:E'~C

conocido en l a naturaleza que xidaci0.n donde una sustancia se t:ombina con el oxígeno íormanóo distintos productos resultantes ue dicha combustión; lé! sustan c i ~ :::ue se quema se llama combustit le y el medio o sea ia at.músÜ·!'é-. .lúnde se realiza la reacción se .Jama comburente. Ce>m u EL toe.~ :·eacción química, puede meuirse 1a \'elocidad de combu~ti(m y en base a esto se distinguen las combustiones lentas, rápi d a~ y explosivas. Sabemos que toda reacción química pone en juego una deter:.·.inada cantidad de calor c ue: se llama calor de reacción; en el c·aso particular de una combustién. e~ calor, o la energía calorífica ¡:::uest.a en juego, tomará el nombre de calor de combustión. Por ejemplo. al quemarse el carbono con producción de anhídrido carbónico se ponen en juego 97.000 rramos calorías: c·1 esencia es una reacc:ión óe

t

e -:- 02 = co2 -- 97.000

gramos calorías

Cuando existe un exceso de oxígeno y la sustancia reacciona con él en forma total, se dice que la combustión es perfecta; en cambio cuando la cantidad de aire es insuficiente y el oxígeno no alcanza para quemar totalmente el combustible se dice que la combustión es jmperfecta: ejemplos: combustión perfecta del carbono :

e+ 02 = co2+ ~:ombust i ón

97 000 gramos calorías

imperfecta del carbono:

e + 1 lz 02

=

co . .;. 29.000 gramos calorías 9

=----..--------------------~ el monóxido de carbono obtenido en esta última ecuacwn puede quemarse también de acuerdo a la siguiente fórmula:

co + 1f2 02 = co2 + 68.000

gramos calorías

Se observa que la suma de estos dos últimos calores de combustión es igual al calor de la combustión perfecta del carbono. A menudo en los dispositivos industriales donde se quema el combustible (hogares de calderas, parrillas, hornos, etc.), parte del combustible no llega a reaccionar resultando perdido junto con la ceniza, escoria, etc., una cierta proporción y en este caso decimos que la combustión es incompleta. Podrá haber entonces una reacción perfecta pero incompleta, o también completa pero imperfecta. Iguales consideraciones rigen para todos los combustibles só-:. lidos, líquidos y gaseosos; por ejemplo para la madera, papel y algodón, compuestos de celulosa cuya fórmula es C 5 H 10 0 ;;, la combustión perfecta quedará representada así:

Para los combustibles líquidos formados por mezclas de varios hidrocarburos, entre los cuales se encuentra el octano, CRH1a:

Igualmente la combustión perfecta del gas natural (metano. de fórmula CH 4) será:

Se dice que una combustión es neutra cuando las cantidades de aire y combustible sean las estequiométricas (las indicadas por la ecuación química) y se obtenga combustión perfecta; cuando hay exceso de aire la combustión es oxidante y los gases resultantes contendrán oxígeno; si hay exceso de combustible (o falta de aire) la combustión será reductora, pues los gases contendrán sustancias no quemadas, carbón, CO, etc. y se depositará hollín. Cuando hay un exceso grande de aire, o falta del mismo, se rebaja la temperatura de combustión. Para que haya combustión, el combustible debe ser previamente calentado hasta una temperatura determinada para cada combustible, que se llama temperatura de inflamación o de ignic-ión y que será necesario mantener en el dispositivo donde se realiza la misma para que pueda proseguir; para la madera es de aproximadamente 300°C y algo menos para el papel, para el petróleo unos 200°C. etc. 10

Cálculos de combustión En primer lugar es fundamental determinar la cantidad de aire que requiere el combustible para quemarse en la forma más perfecta posible. Supongamos que debemos quemar un carbón que tenga el 85% de elemento carbono, siendo el resto materias inertes; la combustión se realiza según la siguiente ecuación:

e

+

02 22,4 lts

12 grs

donde se observa que hemos agregado los siguientes números: 12 gramos es el peso atómico del carbono expresado en gramos que se saca de las tablas; 22,4 es el volumen en litros ocupado por un mol de cualquier gas a presión y temperatura normales (0°C y 760 mm de mercurio) según una ley de la Química. Tenemos que llegar a determinar cuánto aire va a ser necesario, expresado en m 3 de aire/kg de combustible quemado, para que en base a este dato pueda seleccionarse posteriormente l~ máquina soplante. Decimos, pasando de gramos a kilogramos, multiplicando pol 1.000 y en igual forma de litros a m 5 : 12 kg de 0,85 kg de

e - - 22,4 e-- X

ms de oxígeno m 3 de oxígeno (recordar que nuestro combustible tiene 85 % de carbono, o sea que 1 kg tendrá 0,85 kg de1 mismo); por simple regla de tres obtenemos el valor de x que representa el oxígeno teórico necesario para quemar 1 kilogramo de nuestro combustible: 0,85 x = Üt = - · 22,4 = 1,5 ms de oxígeno/kg de comb. 12

Veamos ahora un caso más completo; vamos a suponer que nuestro combustible tiene la siguiente composición: 80% de e; 5% de H; 1 % de S y 10 % de O; calcularemos el aire necesario para quemar todos estos elementos

Para el carbono tenemos la misma ecuación que desarrollamos anteriormente, o sea que será para este caso:

0.80 0,1 = - ·- - • 22 4 m 8 12

'

Para el H será:

H2 2 grs

+

14 02 22,4 lts

2 11

--Y en forma similar a la anterior planteamos:

2 X 2 kg de H 2 --22,4 m 3 de 0 2 0,05 kg de H 2 - - X 0,05 X =Otz=-- ·224 4 . Análogamente para el S será:

+

S 32 grs

02 22.4 lts

SOz

y planteamos: 32 kg de S - - 22,4 m 3 de 0 2 0,01 kg de S - - X m 3 de 0:!

de donde obtenemos ~ L'>.

0,01 = 0,3 = --. 22,4 32

El contenido de oxígeno existente en nuestro combustible tendrá que ser restado del que debemos aportar, en la siguiente proporción: 32 kg de oxígeno - - 22,4 ms 0,1 kg de oxígeno - - - X 0,1 X = Ot• = - - · 22,~ 3~

El total de oxígeno necesario será la suma de O t\ • 0 ,2, 0 ,4, que expresamos sacando factor común:

'

, .

oxigeno teonco =

o , = ( -0,8- + -0,05 0,01 0,1 + -- -12

4

32

32

O ,~ y

) 22

.4

Podemos generalizar esta fórmula para cualquier combustible, y así llamando e, h, S, o a los % de e , H, S , O, r espectivamente. tendremos: e

O, = ( --

'

12

+ -h- + -s- - -o- ) 4

32

32

22.4

El oxígeno se encuentra en el a ire en la proporción del 21 !fo (es decir que en 1 m 3 de aire hay 0.21 m 3 de o~) . de modo que necesitamos calcular el aire teór ico necesar io que nos va a aportar el oxígeno teórico.

1 m 3 de air e - - - 0,21 m a de

o~

- - - O , m 3 de

o~

X

o,

X=A,=--0.21

12

reemplazando el valor de O, obtenido anteriormente, resulta:

A,=

e

(

que se expresa en

h

s

o

12 + -4- + 32 - 32 N m 3 de aire

)

22,4

0,21

,

(*) y es el aire mínimo kg de combustible necesario para una combustión perfecta. En la práctica debe asegurarse que todas las partículas del combustible estén bien rodeadas de suficiente aire y para asegurar esto es necesario proveer una cantidad algo superior a la teórica de manera que podemos escribir la relación: Aire práctico ,\ = - -Aire ---- > 1 teórico dependerá de la naturaleza del combustible que se quema y también puede ser influido por el tipo de quemador empleado; en ge~ neral. para obtener correcta rela ción combustible~aire tendremos: para combusti bles sólidos, .\ = 1,5 a 2; para combustibles líquidos, >.. = 1,1 a 1,2; para combust ibles gaseosos y polvo de carbón , .\ = 1 a 1,1. El su ministro de aire par a todo comb ustible puede hacerse : por tiro natural (con chimeneas) ; por aire a presión (con compresores); p or aire a baja presión (ventiladores centrífugos) ; pero h ay t ambién sistemas mixtos.

Cálculos similar es p ueden aplicarse p ara determinar el v olu men de los gases de combustión (humos) . El con t rol de la combustión se realiza con el aparato d e Orsat (fig. 1) que permite analizar los gases y deter minar los porcentajes d e co~. o~ ;.' co presentes. para lo cual los f rascos se llenan con soluciones absorbentes de hidrato de pot asio. solución alcalina de pirogalol y solución amonia cal de clorurn cuproso, respecti\·amente.

FIG. l.

·~Normales m etros cúbicos de aire; es decir el voiurne n referido a p resión y t emperatura normales co· y 760 mm de mercurial.

13

Accionando el frasco de nivel que se ve arriba, se aspira un volumen de 100 ce. de los gases en la bureta graduada, filtrando previamente por lana de vidrio para eliminación de polvo y hollín, y se va haciendo pasar sucesivamente por las tres soluciones de absorción, cada una de las cuales retiene el volumen correspondiente, el que luego puede leerse en la bureta graduada. Para el llenado completo de los recipientes de absorción se opera con peras de goma conectadas a los tubos acodados que aparecen en la figura; las peras no aparecen.

...

Poder calorífico Se denomina poder calorífico de un combustible a la cantidad de calor que puede ceder 1 kilogramo de ese combustible, y se expresa para sólidos y líquidos en kg calorías/kg de combustible, y para gases en kg calorías/m11 de gas. Existen aparatos denominados calorímetros que permiten determinar este valor característico. Para los líquidos y sólidos se usa el calorímetro de Mahler y para gases el de Junkers. También hay fórmulas que permiten el cálculo del poder calorífico conociendo la composición química elemental. Hay que distinguir el llamado poder calorífico superior del llamado inferior. Poder calorífico superior (PCS) es aquel que considera al agua que tiene el combustible en estado condensado , y es el valor que nos dan los calorímetros. En cambio industrialmente interesa el poder calorífico inferior (PCI), pues el agua que contiene el combustible se considera en este caso al estado de vapor, lo que implica la absorción de cierta cantidad de calor; es el caso del cálculo del hogar de una caldera, por ejemplo. El agua del combustible puede provenir, aparte de la humedad natural, de la combustión del hidrógeno que contenga el combustible. Es decir que si del poder calorífico superior deducimos la cantidad de calor necesaria para vaporizar el agua contenida (W) . obtendremos el poder calorífico inferior: PCS-W=PCI Es necesario conocer los poderes caloríficos para poder evaluar los distintos combustibles y para efectuar los cálculos técnicos de combustión. Combustibles. Distintos tipos. Principales características Un combustible industrial es una sustancia capaz de reaccionar con el oxígeno, produciendo calor aprovechable. Para clasificarlos tendremos en cuenta su estado físico {sólido, líquido o gaseoso) y su método de obtención (naturales y artificiales o fabricados). En la composición de todos ellos se encuentra fundamentalmente el carbon~ y el hidrógeno.

14

Poder calorífico

Antracita Hulla Lignito Turba Leña

Naturales Combustibles sólidos

Coque Carbón de leña Aglomerados (briquetas) Artificiales {

l

8.500 8.000 6.000 5.000 3.500

kg kg kg kg kg

cal/kg cal/kg cal/kg cal/kg cal/k~

7.500 kg calfkg 6.500 kg cal/kg

Los combustibles sólidos en general son abundantes y de costo reducido, encontrándoselos listos para su utilización a los naturales, pero todos tienen serias desventajas representadas principalmente por su elevado costo de transporte y manipuleo para regular el fuego y para eliminar residuos y cenizas. A veces requieren costosas parrillas y mecanismos de transporte si se quiere evitar mano de obra para tales labores. Algunos de estos combustibles pueden ser utilizados previa pulverización (polvo de carbón) con lo cual se eliminan muchos inconvenientes y se mejora su eficiencia. Poder calorüico

Combustibles líquidos

r Natural

¡

Petróleo

10.500 kg cal/kg

1

~l

Naftas Kerosene Gas oil Diesel oil Fuel oil Alcohol

11.200 11.100 10.900 10.700 10.300 9.000

Artificiales

l

kg kg kg kg kg kg

cal/kg cal/kg cal/kg caljkg cal/kg cal/kg

Los combustibles líquidos son de manipuleo más fácil y económico (bombeo) y se introducen pulverizados en los hogares de los hornos metalúrgicos de fusión, forja y tratamiento térmico permitiendo elevadas temperaturas y un satisfactorio control de la combustión. Con excepción del alcohol, que es de origen vegetal, todos son derivados del petróleo. Poder calorífico

Combustibles gaseosos

f

l

Natural

{ Gas natural

Artificiales

~

9.300 kg cal/m8

Gas de destilería 11.600 Gas de agua 2.500 Gas de aire 1.000 Gas mixto 1.500 Gas de alto horno 900 Acetileno 13.000

kg kg kg kg kg kg

cal/m3 cal/m3 cal/m1 cal/m1 cal/m' cal/m1 15

(El gas natural se extrae de los yacimientos petrolíferos; e1 gas de destilería se obtiene allí como producto gaseoso del procesamiento del petróleo; el gas de agua se obtiene haciendo actuar vapor de agua sobre carbón a 1.000°C; el gas de aire se obtiene haciendo pasar aire por carbón a 1.000°C; el gas mixto es unz. mezcla de los dos anteriores; -el gas de alto horno se obtiene en este horno y lo veremos en el próximo capítulo; al acetileno lo estudiaremos en el capítulo referente a soldaduras.) .Los combustibles gaseosos se están aplicando en forma creciente en nuestro país, especialmente el gas natural (gas metano: CH4 ) en calderas y hornos de forja y tratamiento térmico, aparte de las aplicaciones domésticas. Su alimentación es continua, requiriendo escasa mano de obra; permite muy buen control de su combustión y de temperaturas. Didintos tipos de quemadores

· Los combustibles sólidos se queman sobre parrillas construidas de fundición de hierro; pueden ser rectas, inclinadas o escalonadas.

FJG. 2. - Corte esquemat1co de una parrilla indicando la forma ée lus barrotes para evitar obstnrcciones por las cenizas, escoria s, etc.

Los combustibles líquidos deben ser bien atomizados y mezclados con el aire en movimiento de torbellino. Se proveen combustibles líquidos pesados (fuel oil) o mezclas menos densas para facilitar el manipuleo (fuel oil con 30 % de diesel oil), pero debe evitarse en lo posible el empleo del diesel oil por su elevado precio comb.

..:::--

--

. --~- ...

·-

~-

=::--

-

- -

aire

F1c. 3.- Es, 1uema de un quemador para combustible liqUido.

16

-

con respecto al fuel oil. Los combustibles pesados son previamente calentados por vapor o agua a presión. La atomización puede lograrse por aire, por vapor y también mecánicamente. El atomizado por aire puede hacerse a baja presión o a alta presión; en el primer caso el aire es suministrado por un vent)lador centrífugo y en el segundo por un compresor.

FIG. 4. -- Vista de un quemador en funcionamiento (baja presión).

A fin de mejorar la atomización, en algunos casos se coloca en el punto de salida del combustible, una pastilla que hace quE' el combustible salga en dirección transversal al camino del ai:t: y con cierto movimiento circular o espiral : :om/:'ust :.ble

_o_ir_e__

· (~ ~--- -

~L--------:::m~-

~---~-

--

l

FrG. 5.

El aire empleado para pulverizar o atomizar generalmente no constituye la totalidad del aire necesario para la combustión. por lo cual de inmediato a la salida del combustible debe ingresar el resto o aire secundario. Los sistemas de vapor se usan donde hay calderas, consumiendo para este fin una pequeña parte del vapor producido en el generador. Los quemadores industriales para combustibles gaseosos pueden funcionar según el tipo Venturi o bien a aire insuflado por 17

un ventilador centrífugo. En el primer caso el aire entra inducido por el gas que se encuentra a mayor presión: fluido inductor

gas ----

FIG. 6. -

aire i nducido Quemador para gas del tipo venturi.

El mechero bunsen de laboratorio sería el tipo mas sencillo, pero también hay quemadores indust'riales de este tipo. Para quemadores industriales de mayor potencia calorífica se usan los de aire insuflado, existiendo diversos tipos (fig. 7) . gas a pr('sión

cámara de mezcla

FIG.

i.

En todos estos quemadores se agregan siempre dispositivos de seguridad, así como llama piloto o encendedores automáticos.

oKc o Pfn •On 1" (atOf'T'IIizaCfcin)

filtro

F IG. 8.- Esquema de una ins-

talación de combustión para combustible líquido.

18

Hornos usados en metalurgia

Un horno es un dispositivo donde se realizan transformaciones físicas y químicas a elevada temperatura, pudiendo decir como primera descripción que se trata de un recipiente donde se colocan minerales o metales para su tratamiento con el aporte de .calor proveniente de un combustible adecuado que se quema, o de la energía eléctrica. Fundamentalmente están constituidos por una estructura resistente metálica recubierta interiormente con un material destinado a estar en o con el contenido y capaz de soportar dicho o y las elevadas temperaturas (material refractario). · En todas las operaciones metalúrgicas está siempre presente algún tipo de horno; veremos su clasificación: De cuba (combustibie y mineral juntos)

lf

Alt~ horno Cubilote

r

Reverbero sin récuperación de calor

1

1 1

i De reverbero (el com~u,tible arde

en camara separada; para fusión y tostación)

A combustible -11 1 1

1

Hornos ~

1 1

'

l

carga metal bruto y se afina su composición)

rA 1

LD Por conducción

resistencia

1

Eléctricos

! j

A arco

<

1

Crisol

Thornas

1

1

Con recuperación de calor (SiemensMartín)

Convertidom ('< { Bessemer

l

1

1r

irradiación J Por Por convección

l

Indirecto { Directo·

A arco resistencia

( Frecuencia alta A inducción

i

l

Frecuencia baja Frecuencia de red 19

Según la naturaleza de la energía utilizada los hemos clasificado en hornos a combustible y hornos eléctricos. En los primeros el combustible es empleado directamente transfiriendo su calor; en los hornos eléctricos la corriente eléctrica se transforma ~n energía calórica, ya sea por medio de una resistencia independiente (efecto Joule), o haciendo saltar el arco eléctrico, o por el efecto Joule de una corriente inducida en el seno del metal a tratar (hornos a inducción). A los hornos a resistencia los hemos clasificado según la forma en que el calor pasa desde la resistencia al metal: o directo (conducción), calor irradiado, o calor que se transporta por corriente de fluido, aire (convección). Iremos describiendo los hornos separadamente en cada tema 3. tratar.

Principios del cálculo de hornos En general podemos señalar los siguientes factores como intervinientes en el proyecto de hornos: -Estudio técnico-económico. -Combustible a emplear. - Magnitud de la combustión e instalación necesaria para la misma. -Forma de utilización del calor producido, es decir su transferencia de la fuente calórica al producto o material en tratamiento. -Forma y dimensiones del horno. -Temperatura deseada. -Recuperación de calor. - Materiales refractarios. -Conductos de aire y máquinas soplantes. - Detalles constructivos de la estructura resistente, puertas y chimenea. El cálculo de un horno requiere estudios técnico-económicos. P ara su dimensionamiento hay que tener en cuenta las necesidades de producción, íntimamente Ugadas con la demanda del mercado. El cálculo fundamental que se hace es el cálculo calórico para poder deducir el combustible ~' el aire o energía eléctrica necesarios, y en consecuencia seleccionar los quemadores, las instalaciones de combustión, las máquinas soplantes, etcétera. Supongamos tener que calcular un horno para fundir dos toneladas de acero. El calor necesario que debemos aportar para llevar el horno desde la temperatura ambiente hasta la temperatura de colada, 1.650°C, estará compuesto por los siguientes calores· 20

19 Calor necesano para llevar el acero desde la temperatura ambiente hasta la temperatura de fusión, que supondremos 1.480°C:

QI = C. ·m· D., siendo Q1 el calor necesario en kg cal C. el calor específico del acero (entre O y 1.400°C) = cal· = 0,167 kg (de tablas) oc . k.g m la masa = 2.000 kg t la diferencia de temperaturas = 1.480- 20 = 1.460 Reemplazando valores, ten emos: Q¡ = 0,167

kg cal 0 oc. kg X 2.000 k g X 1.460 C = 487.640 kg cal.

29 Ya tenemos el acero a la temperatura de fusión y es necesario hacerlo pasar del estado sóUdo al líquido, o sea el calor necesario para el cambio de est ado:

siendo Cr el calor de fusión que, al igual que en tablas, y reemplazando valores tenemos : Q2

= 49

c., lo

encontramos

kg cal X 2.000 kg = 98.000 kg cal kg

3 El acero no sólo debe estar fundido sino suficientemente fluido como para p ermitir el llenado de los moldes; entonces tendremos que calentarlo desde la temperatura de fusión hasta la temperatura que se considere conveniente para colar, supondremos 1.650°C:

reemplazando valores y operando, tenernos : Qa = 0,167

kg cal

oc. k g X 2.000

= 56.780

kg X (1.650-1.480) =

,•

kg cal

49 Debe tenerse en cuenta que también es necesario calentar el m;:,terial refractario hasta la temperatura de fusión: 21

kg cal donde Ce, es el calor específico del refract ario = 0,3 -::-:::o---:--0C • kg m, = peso total de ladrillos o material refractario de otro tipo que supondremos = 7.000 kg reemplazando valores y operando, obtenemos: kg cal

Q4 = 0,3 -=-=--::--X 7.000 kg X (1.650-20) °C =

oc. kg

= 3.423.000 kg cal (Cuando hay refractarios de dist ir.ltas clases, o una capa de aislante, habrá que considerar separadamente cada capa.) El calor invertido hasta acá será:

+

+

+

=

Qacoro = Ql Q2 Qa Q. 487.64p + 98.000 -'56.780 3.423.000 = 4.065.420 kg cal

+

+

Pero debe tenerse en cuenta que el horno, mientras trabaja, pierde calor por conducción, por irradiación y por convección. En los hornos grandes será imprescindible efectuar este tipo de cálculo detallado. Aquí estimaremos las pérdidas en un 20% del valor calculado, de modo que el calor necesario deberá ser incrementado en esta cifra: Q to tat

= 4.065.420 + 0,2 X 4.065.420 = 4.878.504 kg cal

Por otra parte si se trata de un hor no a combustible, n o aprovecha este calor en su totalidad sino que hay una parte que se pierde junto con los gases que van a la chimenea, y en este caso este aprovechamiento, es decir el rendimiento, dependerá de1 tipo de horno empleado; en nuestro caso supondremos un 65 %, de modo que el valor que finalmente deberemos aportar será de 4.878.504 Q -- _Qt -- -- - = 7.505.390 kg cal 'f)

0,65

El horno empleará fuel oil, cuyo poder calorífico es de 10.300 kg cal y en consecuencia el combustible que deberemos

kg

gastar será de: 7.505.390 kg cal

-:-:""-:---:-:----::-::-------:- = 730 kg de fu el oil 10.300 kg cal/kg comb.

22

Con este dato calcularemos después el aire necesario, adoptamos el quemador conveniente, el ventilador, etcétera. Si en cambio pensáramos trabajar con un horno eléctrico, tenemos que contar con un aprovechamiento calórico mucho más elevado, puesto que no está conectado a chimeneas y no hay salida de gases; consideraremos un rendimiento del 95 %; en este caso resultará: Q=

Qtotal 1]

4.878.504 0,95

= 5.135.267 kg cal

La energía eléctrica consumida por el horno podrá calcularse 9abiendo que 1 KWh = 864 kg cal:

Q kg cal

p = ----...,-----

864 kg cal/KWh

5.135.267 864

- - - - = 5.943 KWh

y con esto podrán calcularse los otros elementos del horno, transformador, electrodos, etcétera. Pero es fundamental previamente decidirnos por uno de los dos hornos, o el a combustible o el eléctrico, y para eso debemos hacer amplias consideraciones sobre la calidad (es muy superior el eléctrico), precios que se pueden obtener en la venta de uno u otro tipo del acero obtenido (precio de mercado), costo y disponibilidad de la energía eléctrica, etc., es decir decidir la conveniencia de uno u otro tipo de horno.

n1ateriales refractarios Son aquellos materiales empleados para revestir interiormente los hornos con el propósito de resistir las temperaturas elevadas que hay en el interior; también deben ser capaces de resistir el ataque de aquellos materiales que se encuentran en o con ellos y también de sus gases y vapores. Por consiguiente la primera condición de un refractario es que debe tener un punto de fusión elevado, mayor que la temperatura de trabajo del horno. Esta característica se determina por comparación con otros refractarios conocidos, empleando para ello los llamados conos Seger: son pequeñas pirámides triangulares hechas con sustancias refractarias bien dosificadas, de manera que se los numera y a cada número corresponde uria temperatura de ablandamiento y así se confecciona una tabla (ver manuales); con el refractario en examen también se hace una pirámide similar y luego se lleva a un horno a varios conos Seger, de números seleccionados. Se procede a calen tar hasta que se observa que

23

el cono en examen se dobla y su punta toca la placa sobre la que se encuentran todos. La temperatura de ablandamiento será eqlli\'alente a la del número del cono que se dobló en forma :>imilar

A A /\ A des pues

antqs

Frc. 9.

Además del punto de fusión adecuado, los refractarius deben reunir otras características, las que en cada caso deben seleccionarse cuidadosamente. Porosidad; a menor porosidad, mayor compacidad, el ladrillo es más resistente a las cargas y también al ataque químico, puesto que no penetran los gases y materiales fundidos. Los ladrillos porosos se usan corno aislantes por su baja coDductibilidad térmica. La resistencia al resquebrajamiento o "spalling" provocado por las contracciones y dilataciones, debe ser lo mejor posible, para lo cual debe tenerse en cuenta no sólo la composición quírnic ~l sino también la forma de la pieza de refractario. Clasificación de los refractarios Dijimos que el refractario debe soportar el ataque químico de la sustancia que está en o con él y esto quiere decir que no deben combinarse; por consiguiente, el refractario debe ser del mismo carácter químico que dicha sustancia, o sea que si la sustancia es ácida, el refractario también deberá serlo, y si es básica, también debe procurarse lo mismo en el refractario, y si éste es de carácter neutro, podrá contener sin combinarse cualquier tipo de material. Los revestimientos r efractarios ácidos están constituidos principalmente por sílice (Si02 ) y la principal materia prima es el cuarzo molido que contiene hasta un 98 %Pueden hacerse mezclas de cuarzo y materiales que contengan alúmina (Al2 0 3 ) corno la arcilla, la caolinita, bauxita, etcétera, de manera que de acuerdo al contenido de alúmina podernos clasificar a estos refractarios en silicosos (con alta Si02 ) , aluminosos (con más del 47 % de Alz03) y sílicoaluminosos los intermedios. Los refractarios básicos se l1aman así cuando contienen principalmente magnesia (MgO) y cal (CaO). Las materias primas principales son la magnesita (carbonato de magnesio, C03Mg) y la dolomita, que es un carbonato doble de calcio y magnesio (C03Ca • C03Mg). 24

i...os refractarios neutros principales e::;tán hechos sobre la de óxido de cromo y alúmina fundida (alundum), grafito. carburo de silicio (carborundum). Lo::; materiales destinados a trabajat· a muy altas temperaturas se denr>minan super refractarios. b~.:>e

El IRAM clasifica así a los refractarios s egún su carácter químic,)·

J•l Acidos: los silicos y silic:oaluminosos; ~
Básicos: cal y magnesia; ::>u Neutros: los de elevado contenido en alúmina, carbón, cromo, circonio, carburo de silicio. E:n todos los casos los refractarios pueden emplearse como lad rillos prensados, o bien en forma de polvos o cementos con aglu· tinantes adecuados. Los hornos generalmente llevan un aislante térmico (poroso) a la chapa, y sobr e éste se aolica el refractario.

j l!n ~o

25

11

Minerales de hierro

Distintos tipos

Pocas Yeces el hierro se encuentra en estado nativo, por ejemplo en los meteoritos que lo contienen en un 90 %. Son abundantes, en cambio, los compuestos naturales o minerales de hierro, esparcidos abundantemente sobre la tierra, pero de todos ellos no es económicamente conveniente la extracción industrial del metal. En estos minerales, además del compuesto útil de hierro, existe una cierta cantidad de otros compuestos minerales que constituyen en conjunto lo que se conoce con el nombre de ganga, y está constituido por arena, arcilla y compuestos de cal; es la parte inútil que acompaña al mineral y debe tratarse de separar previamente. Además existen compuestos de azufr e y de fósforo que portan estos elementos y que luego pasan al hierro como impuu •zas perjudiciales. Los minerales son: - Hematita (Fe203 ), óxido férrico, contiene hasta el 70 % de hierro . Se presenta en masas terrosas de color rojo. - Limonita (Fe2 0 3 • 3H2 0), óxido férrico hidratado con un 60% de hierro; masas terrosas de color variable del pardo al amarillo. -Magnetita (Fe3 0.¡), se le llama óxido magnético; por su magnetismo se le llama piedra imán; 70 de hierro. -Siderita (C0 3Fe) , carbonato ferroso, con un contenido de hierro del 48 %. de color blanco.

ro

27

-Pirita (SFe2 ) . d isulfuro de hierro, no utilizable para la extracción del hierro, pero sí para la industria de la obtención del azufre. Los yacimientos argentinos aprovechables son los de Zapla, en Jujuy, formados por hematita con elevado contenido de fósforo y un contenido de hierro del 40 al 70 %, y los de Sierra Grande, en la Patagonia, cerca del Golfo de San Matías, costa Atlántica, en vías de ser explotados, formados principalmente por magnetita y hematita con 55 % de hierro y además impurezas indeseables de fósforo y azufre. Los yacimientos de Zapla se encuentran en plena explotación desde hace muchos años. Tratamiento de los minerales

Para que un mineral sea aprovechable es necesario que su ley mínima (contenido mínimo de hierro) sea del 30 %. Los yacimientos pueden ser a cielo abierto (cuando están sobre la superficie o cerca de ésta), de donde se los extrae con palas mecánicas, o bien yacimientos profundos, en cuyo caso es necesario excavar túneles y galerías ele\'ando el mineral con montacargas hasta la superficie. Para que puedan ingresar al horno donde se va a separar el hierro, son necesarias varias condiciones previas: que los trozos tengan tamaño adecuado y que se encuentren al estado de óxidos y pnvados de agua. A tales fines se les hace seguir un proceso que comprende varias etapas:

l <:l Rotura con masas o martillos neumáticos de los grandes

bloques extraídos; esta operación puede realizarse sobre cintas o cadenas continuas donde los operarios se encuentran ubicados a ambos lados, realizándose tnmbiér aquí un lavado con chorros de agua.

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V

OtJ

\l:JI

o

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a)

'l'nturadons

a cilindros

1)

b)

Trituradores

a mandíbulas Frc 10.

28

?

o " e) Tl'iturador~~ a

tambor excéntriro

29 Reducción de tamaño (molido), de acuerdo con lo reque-

rido para el buen funcionamiento del horno. En esta operación pueden intervenir cilindros trituradores, estriados o con dientes, trituradores a mandíbula, trituradoras a tambor excéntrico (fig. 10). 39 Separación magnética. Se aplica especialmente cuando el mineral es pobre. Hay un tambor electromagnético que atrae las partículas de mineral dejando caer en A (fig. 11) las porciones con mucha ganga. Hay un rodillo rascador R que separa las porciones ricas que continúan adheridas cayendo en D, mientras en compartimientos intermedios caen minerales de contenido medio. miniZrol +

Flc. 1 J.

e

Fic. 12.

49 El mineral muy pulverulento puede aglomerarse con un cemento adecuado (cal o coque) y calentando forma trozos o briquetas. 5c· Los minerales de hierro formados por carbonato, C03 Fe, deben calcinarse en presencia de aire (tostación) par2 transformarlo en óxido:

Esta operación se hace en hornos de cuba (fig. 12) . Finalmente el material así preparado es depositado en una gran playa desde donde será luego cargado para alimentar al alto horno. En esta playa también se encuentran los otros materiales necesarios, el carbón de coque o de leña; y la piedra caliza (C03 Ca! .

Reducción de los minerales El mineral preparado como se ha descripto debe ser reducido, es decir, se le debe eliminar oxígeno para dejar el metal en libertad y esto se logra haciéndolo r eaccionar con carbón en distintos tipos de hornos (hornos altos y hornos bajos) pero el más usado en la actualidad es el alto horno que pasamos a ver. Los procesos metalúrgicos de obtención del hierro se reúnen bajo el nombre de siderurgia.

CARGA (TRAGANTE)

el carbono del gas CO se com bina con el o x ígeno dei minera!

la mezcla de hierro, coqu e. y fundente se calienta y el carbón se disuelve en el hierro hierro y es-

coria se funden Jo -

- - - ·-

-

-

-

-

-

--- -

combustión del coque

FIG. 13.

Alto horno Tiene la forma de dos troncos de cono unidos por sus bases, y está formado por una envoltura metálica revestida interiormente de gruesas paredes de ladrillos refractarios sílicoaluminosos (70 de Si02 y 30 % de Al208 ). Su altura es de aproximadamente 30 m y su diámetro máximo interior de 7 m (fig. 13), en los hornos clásicos, pero en Japón y Alemania empezaron a construirse de alrededor de 14m de diámetro, llegando su altura, con rios, a cerca de 90 m. La forma cónica superior se justifica porque así se facilita el descenso de las cargas evitando obstrucciones y se mantiene la velocidad de ascenso de los gases que van disminuyendo su volumen al disminuir la temperatura; la forma cónica inferior, a su vez, se justifica porque allí ya todo lo que fluye se ha licuado (escorias y hierro), y, en consecuencia, hay disminución de volumen que debe compensarse de manera que el descenso no resulte demasiado rápido para que haya el tiempo y o necesarios para que se efectúen las reacciones. Por el tragante se cargan el mineral y el carbón y fundente (piedra caliza) en capas alternadas. El carbón (de coque o de leña) tiene dos misiones: como combustible para el calentamiento, o como elemento activo para la reducción del mineral. El fundente se llama así porque se combina con la ganga rebajando su punto de fusión y formando las escorias, de fácil eliminación. El proceso se inicia con la combustión del carbón en la parte superior del crisol, que se realiza con el aire precalentado que ingresa por las toberas, a cerca de 600° C:

ro

se formó anhídrido carbónico que al ascender a travéa de las capas de carbón forma CO:

co2 +e = 2co que es el gas activo para producir la reducción. ·El mineral, combustible y fundente una vez introducidos en la parte superior del horno, se secan, van descendiendo y, en contracorriente, ascienden los gases ricos en CO; en la parte .superior de la cuba reaccionan produciéndose la reducción del mineral: :

_¡

los minerales de Mn que hay presentes, aquí se reducen también a MnO.

En las partes bajas de la cuba se produce la reducción directa de los óxidos por el carbón: Fe~03

+3e =

2 Fe

+ 3 eo

la piedra caliza se disocia así por el calor:

e03 ea = eaO + eo2 lo;; óxidos de calcio y de manganeso reaccionan con la sílice para f:Jr mar la escoria: SiO~ + eaO = SiOaea SiO:? + MnO = Si03 Mn

Hasta acá el hierro producido se encuentra en estado pastoso; en el vientre y en el etalage se produce la fusión final y además el hierro absorbe carbono. En esta zona también se r educen los óxidos de manganeso. Si, P y S pasando al hierro: = Mn + eo SiO~ 2 e = Si 2 CO P 205 + 5 e = 2 P + 5 eo

MnO

+e

+

+

ei azufre tiene más afinidad por el manganeso y forma preferentemente SMn, y el resto reacciona con el hierro formando SFe; con el óxido de calcio se produce la desulfuración: excedente

(se quema)

t 1

9-3sometro

r--- - - - - -- - - chim~n~

1 FIG. 14.

turbO

soplant•z (turbio~

a 9d~)

SMn + ea O + e = eo + Sea+ Mn SFe + eaO + e = eo + Sea + Fe y los sulfuros de calcio formados se eliminan con la escoria; la desulfuración no es total. El metal fundido cae al crisol y se separa de la escoria que sobrenada; de tanto en tanto se extrae la escoria líquida por el escoriadero o bigotera, situada en la parte superior del crisol, y el arrabio líquido por la parte inferior o piquera (sangrado del horno) dirigiéndose a huecos practicados en la tierra para hacer los lingotes (o también a lingoteras metálicas continuas) o se lleva en vagones termos para fabricar el acero. El gas que sale del alto horno se lleva a las torres eowper formadas por conductos construidos con ladrillos refractarios; allí, en la cámara anterior se inyecta aire para la combustión del gas, y luego de recorrer los conductos sale a la chimenea; pueden hacerse trabajar en serie. Una vez que los conductos se han calentado, se pasa el gas por la otra torre, en tanto que el aire frío se hace circular por la torre ya calentada y así ingresa precalentado, por las toberas al alto horno, como vimos. En la figura 14 tenemos un esquema de la instalación completa de un alto horno. Existen también altos hornos eléctricos, especialmente donde hay energía eléctrica barata (Suecia, Noruega), pero modernamente se tiende a reemplazar el alto horno por el horno de cuba baja, eléctrico del tipo a arco resistencia. Este tipo de horno, eléctricamente es como el de arco, pero el calentamiento se realiza por la resistencia que ofrece la carga al pasaje de la corriente (fig. 15). odectroe<>s

carga ( min~ral y cOl' bOl'\)

¡L 1

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~orrabio Frc. 15.

En estos hornos la energía eléctrica que se emplea reemplaza 33

solamente al carbón que se usa como combustible para el calentamiento, pero debe mantenerse el agregado del carbón necesario para la reducción del mineral. Arrabios El producto del alto horno se llama arrabio y, según su composición química se distinguen varios tipos. En general tienen un contenido alto de carbono (entre 3 y 4,5 %) y contenidos variables de Si (hasta 3 %) , Mn (hasta 1,5 %) , S (hasta 0,07 %) y P (hasta 1,5 %) . Se le llama también hierro fundido de primera fusión o fundición de hierro y se destina a fabricar el acero en la misma planta, o a fabricar piezas de hierro colado en los cubilotes. El arrabio gris se llama así por el aspecto de su fractura, causado porque el carbono se encuentra como grafito. Se produce con altos contenidos de silicio y poco manganeso y también con enfriamiento lento. El arrabio blanco debe su aspecto a la presencia de cementib (CFe3 ), un carburo de hierro que se forma cuando hay poco silicio o mucho manganeso, o se enfría bruscamente; es duro '!--' frágil. . El arrabio atruchado es el que tiene una composición intermedia, presentando zonas grises y blancas entremezcladas. Según el contenido de silicio se clasifican en arrabios de bajo. medio y alto silicio (alrededor del 0,5, 1,5 y 3 % respectivamente) . También existen los arrabios fosforosos, con elevado contenido de este elemento y los arrabios con muy poco fósforo (llamados hematites) con alrededor de 0,03 %. Hierro esponja Se llama así al producto de un procedimiento moderno que obtiene el acero directamente del mineral. Primitivamente éste se obtenía en las llamadas forjas catalanas mezclando el minera1 aprovechable con carbón vegetal, e insuflando aire con u n fuelle para la combustión; de esta manera, el mineral, que era un óxid o de hierro, era reducido por el carbón liberándose, por consiguiente, el hierro, que así se obtenía en forma de gránulos o trozos con muchas cavidades pequeñas (esponja); no se llegaba al estado de fluidez . Posteriormente el hierro fue obtenido al estado líquido, con mayor cantidad de carbono, en los altos hornos, y sobre el producto aquí obtenido se han fundado los otros métodos para la obtención del acero . En el alto horno, la temperatura elevada sobrepasa el punto de fusión del hierro, obteniéndose éste en estado líquido, absorbiendo con facilidad todas las impurezas: carbono, silicio, manganeso, azufre y fósforo; además es necesario agregar .tunq.ente 34

(piedra caliza) y se consume mucho combustible para lograr las elevadas temperaturas, lo cual representa mayores costos. Por otra parte notamos que en cierto modo se trataría de un proceso absurdo, ya que para fabricar el acero (un producto con poco carbono), primero obtenemos un hierro que sale muy carburado del alto horno, al que luego debemos descarburar para obtener el acero. Por estas objeciones se buscan hoy procesos más directos de obtención, similares al viejo proceso de las forjas catalanas que hoy parece resurgir, habiéndose logrado procedimientos eficientes de reducción de minerales por medio de gases reductores como el CO (monóxido de carbono), mezclado con una cierta proporción de hidrógeno. El procedimiento consiste en mezclar mineral y carbón pulverizados y calentarlos en un horno rotativo (fig. 16) donde se hace circular una corriente de esos gases reductores. Debe mantenerse la temperatura entre 850 y 900° C. Hay plantas modernas que emplean hornos fijos verticales (proceso Midrex) . La mezcla de gases reductores es obtenida por combustión del gas natural y se le hace cumplir un ciclo completo que comprende un tratamiento para la regeneración de parte de los gases que ya actuaron en el horno. En esencia, el CO y el H 2 dentro del horno quitan el oxígeno. del mineral formando C02 y H 2 0 , y parte de estos gases son regenerados nuevamente a CO a H2 •

--CO • H2

qsponjas

FIG. 16.

Las esponjas de hierro así obtenidas se muelen y se separan de la ganga mediante un separador magnético; este producto, ·que sale con proporciones variables de C (0,2 a 0,4 %) , se emplea posteriormente para refundirlo en hornos eléctricos, y con las adiciones correspondientes, preparar cualquier tipo de acero común o aleado.

35

111 Aceros

Vimos que el arrabio que sa lía del alto horno fundamentalmente estaba constituido por metal hierro, el que había absorbido d e un 3 a un 4,5 % de carbono; si por cualquier procedimiento eliminamos a éste en su mayor parte, obtendremos lo que se llama un acero, considerándose como tal cuando este porcentaje llega hasta el 1,7 %. Cuando el contenido es muy bajo, 0,15 %, o menos, suele llamarse hierro dulce, pero en realidad la denominación correcta es de acer o extra dulce. A medida que aumenta el contenido de carbono se van obteniendo los llamados aceros semidulce, semiduro, duro, muy duro y extraduro (ver clasificación en pág. 159 aceros al carbono) . Métodos de obtención Para la obtención de un tipo determinado de acero pueden seguirse dos caminos: descarburando el arrabio o bien carburando el hierro esponja o cualquier acero con contenido de carbono menor que el que se desea obtener:

r Por Métodos de obtención del acero

Jl

carburación (cementación)

Por desear-

] buración

~~!~~¡~~,~~so Obtenido en estado líquido

Pudelado

{{ Crisol Convertidor . Siemens Mar"tin Horno eléctrico.

Veremos cada uno.

37

PoT carburación: llamado también de cementación carburante. Se parte de un acero o hierro dulce con menos de 0,2 % de carbono y se lo coloca en cajas rodeadas de carbón vegetal con agregado de acelerantes (carbonato de bario, carbonato de sodio, sal común); se tapa la caja y se rejunta con barro, introduciéndola despues en un horno a 950° C, donde se mantiene el tiempo necesario para que penetre el carbón, siendo necesario mayor tiempo cuanto mayor es el espesor de las piezas; generalmente se requieren muchas horas para una penetración de 1 mm y varios días para de 1O a 20 mm. Se aplica para la fabricación de aceros para algunas herramientas, pero es un procedimiento más usado como tratamiento termoquímico para endurecimiento superficial d e piezas que deben resistir rozamientos, como por ejemplo para ejes.

Pudelado: es muy poco usado; su nombre proviene del inglés "to puddle", que significa remover; en la actualidad este removido se logra en hornos de reverbero especiales giratorios como el de la figura 17 en el horno se introduce hierro fundido con mineral de

FIG. 17.

hierro (óxidos). Las llamas del combustible empleado (hulla) oxidantes y el mineral, van eliminando el carbono y, finalmente, se obtiene una masa de hierro con bajo carbono, esponjoso, que se usa como materia prima para los hornos Siemens Martín, que veremo!! luego. Proceso de obtención al estado líquido. Es el método de obtención de la mayor parte de los aceros. Puede obtenerse partiendo de hierro fundido (líquido), o bien de una mezcla de hierro fundido y chatarra de hierro y acero, o solamente chatarra de hierro y acero. En el primer caso es indispensable el convertidor. Fundamentalmente el proceso químico consiste primero en e.l iminar de la masa metálica los elementos silicio, manganeso, fósforo y azufre, y también del carbono, y después en la recarburación o sea adición de carbono en forma exactamente dosificada para obtener el tipo de acero deseado.

Según la naturaleza del revestimiento refractario del horno que se usa, ácido o básico, se distinguen dos procesos: ácido y basico. El primero requiere el empleo de materiales muy puros, pues el medio ácido no permite químicamente desfosforar ni desulfurar; el segundo permite eliminar fósforo y azufre y en consecuencia se pueden obtener buenos aceros aún partiendo de materiales no selecciO'nados.

Método al crisol. Se llama así por el empleo del crisol de forma característica. Es muy poco usado. En el crisol se carga fundición de hierro y mineral, o bien acero de bajo contenido de carbono (chatarra) y se carbura con aleaciones de alto carbono. Se obtiene líquido y se cuela en moldes. El acero obtenido es de muy buena calidad. Método al convertidor. Ya dijimos que los convertidores son dispositivos donde se carga el metal bruto, obteniéndose el metal afinado, es decir de composición regulada o ajustada. Están constituidos por una envoltura resistente de chapa, con un grueso revestimiento refractario interior. El fondo es perforado para permitir la entrada de aire proveniente de los compresores. El convertidor puede bascular para permitir su carga y operación (figura 18). lanza dll

-olli~no

Fza. 18.

FIG. 19.

El convertidor Bessemer tiene revestimiento refractario acldo. Una vez cargado con el arrabio líquido, se sopla aire a presión , el que atraviesa toda su masa oxidando los elementos que acompañan al hierro, comenzando por el silicio y manganeso y terminando por el carbono; primero se oxida el hierro: Fe + 1!2 0 2 = F eO

+ 64

kg calorías (reacción exotérmica)

este óxido ferroso reacciona con el silicio y el manganesia: Si + 2 FeO = Si02 + 2 Fe + 66 kg cal Mn +FeO= MnO + Fe+ 26 kg cal

39

el Si02 y el MnO pasan a la escoria que sobrenada en forma de silicatos: Si02 + FeO = Si03 Fe + 6 kg cal Si0 2 + MnO = Si03 Mn + 8 kg cal Luego viene la descarburación: e+ FeO = eo +Fe- 35 kg cal (reacción endotérmica) y así se va eliminando el carbono. Al final del proceso se elimina el oxígeno en exceso (se desoxida) por agregado de FeSi y FeMn, (ferrosilicio y ferromanganeso) y luego se recarbura hasta los contenidos deseados de carbono.

Si el arrabio contiene porcentajes elevados de fósforo (que se encuentra como fosfuro de hierro, PFe8 ), debe emplearse el convertidor Thomas, que difiere del anterior en que su revestimiento refractario es básico y lo mismo la escoria. Además de las reacciones anteriores, se produce la eliminación del fósforo de la siguiente manera:

=

2 PFe 3 + 5 FeO P 2 0 5 + 11 Fe + 40 kg cal el anhídrido fosfórico formado reacciona con la cal que se agrega: P2011 3 eao = (P04 )2 ea 3 , fosfato tricálcico que va a la escoria (en este proceso la cal, eaO, también escarifica a los silicatos de Fe y de Mn). Estas últimas reacciones comienzan lentamente desde el principio, y se activan luego que el carbono se ha quemado por completo.

+

El azufre, que se encuentra como sulfuro, se elimina con eaO: SFe + eao = Sea

+ FeO +

5 kg cal

(el sulfuro de calcio pasa a la escoria) . La eliminación del azufre es difícil y se realiza mejor cuando se trabaja en hornos eléctricos básicos, por la temperatura más elevada que se consigue en éstos. Del balance térmico de los procesos descriptos, resulta una elevación suficiente de temperatura en el metal fundido, no requiriéndose por consiguiente inyección de combustible.

Convertidor LD: Existe un procedimiento moderno empleando convertidores pero con la diferencia de que en lugar de soplar aire a presión a través de la masa líquida, se sopla oxígeno con una lanza especial sobre la superficie. Las reacciones son similares, pero el tiempo de operación se disminuye mucho. Además, puede prescindirse de la costosa instalación de la planta de compresores, y el convertidor es de construcción más sencilla, ya que se evita el fondo perforado (fig. 19) .

~---

·=~

Siemens Martin: Es un procedimiento predominante en la actualidad; permite la utilización de gran cantidad de chatarra o desechos de hierro y de acero, pudiendo trabajar también con fundición líquida y mineral de hierro. Se lleva a cabo en hornos de reverbero cuya característica fundamental consiste en la recuperación del calor de los gases de la combustión, contando para ello con cámaras donde hay un enrejado de ladrillos refractarios, los cuales trabajan alternativamente, primero calentándose con los gases de escape y luego invirtiendo el proceso y haciendo circular por ellos el aire que ingresa para la combustión. En los hornos calentados a gas como combustible, éste también es precalentado en cámaras similares (hay una cámara más a cada lado), y de este modo se logran elevadas temperaturas dentro del horno, que pueden llegar a los 1.800° c.

fue\ oil

(¡\

aire

{i\

a la dúmenea

FIG. 20.

Para la operación e inversión de los procesos hay válvulas y compuertas especiales. Estos hornos pueden ser de revestimiento ácido o básico y el p1oceso químico metalúrgico una vez fundida la carga es . el mismo que vimos en los convertidores, pero acá las reacciones son menos enérgicas puesto que el aire no atraviesa la masa líquida sino solamente lame la superficie. Para acortar el proceso, el aire puede ser enriquecido con oxígeno. Acá las reacciones se hacen más por medio de la escoria; la materia prima no debe tener un porcentaje promedio tan alto como en los convertidores, si no la operación se prolongaría mucho. Al igual que en los convertí41

dores, el proceso ácido se usa cuando la materia prima empleada no hace necesario eliminar las impurezas de fósforo y azufre; en cambio, cuando éstas son muy elevadas, se usa el proceso básico. Hornos elédricos

En vez de los combustibles quemados directamente en los hornos tradicionales, se utiliza la energía eléctrica y ésta se transforma en calor de varios modos, lo que permite clasificarlos. Los hornos eléctricos día a día van ganando terreno y puede decirse que en los mismos se encuentra el verdadero porvenir de la metalurgia. Como consecuencia de su introducción se han obtenido muchas ventajas técnico-económicas en los procesos existentes y, por otro lado, se posibilitó la obtención de otros productos que antes no se podían lograr industrialmente, como el aluminio, lo que hizo posible su enorme desarrollo actual. Los productos obtenidos son más puros, más homogéneos y en general de mejor calidad que los obtenidos en hornos a combustible, y los procesos son de mejor rendimiento, requieren menos mano de obra, siendo posible un más exacto control de temperaturas. Sus instalaciones ocupan menos espacio, ya que no son necesarios depósitos y rios para el combustible. Por todas estas ventajas, en general son preferidos a pesar del elevado costo de la energía eléctrica; generalmente el rpejor precio de los productos compensa los mayores costos. Además no debe olvidarse que el rendimiento calórico de un horno eléctrico es mucho mayor que el de un horno a combustible, ya que no hay escape de gases a la chimenea y porque el calor se produce precisamente en el mismo sitio en quE: es requerido. La elección, entonces, debe ser precedida de un cuidadoso estudio técnico-económico.

Según la forma como se utilice la energía, clasificaremos a los hornos eléctricos de la siguiente manera:

Hornos eléctricos

A resistencia

Por conducción Por irradiación { Por convección

A arco

( A arco indirecto A arco directo De solera conductora

i

A arco-resistencia A inducción

42

f A baja frecuencia A frecuencia de red A alta frecuencia

~l

Los hornos a resistencia producen el calor utilizando el efecto Joule de una corriente eléctrica que pasa a través de una resistencia que Sft coloca en la cámara donde se encuentran los materiales a calentar, y según cuál sea la forma en que el calor pasa de la resistencia al material, se distinguen tres tipos que tienen aplicaciones específicas: por conducción: hay o directo y se aplican, por ejemplo, en la fabricación de abrasivos (carburo de silicio); irradiación, por energía radiante: se aplica en hornos para la fusión de metales y tratamiento térmico; por convección: · el calor se transmite por corrientes de aire (o de otro fluido) y se aplica en estufas y hornos para secado y tratamiento térmico. En todos los casos pueden emplearse resistencias metálicas o no metálicas; las metálicas generalmente se usan hasta 1.200° C; son alambres constituidos por distintas combinaciones de níquel, cromo, aluminio, con hierro. Para muy altas temperaturas se usa el tungsteno. Como resistencias no metálicas se usan el grafito y el carburo de silicio. Los hornos de arco utilizan el calor producido por el arco eléctrico que salta entre dos o más electrodos cuya temperatura es superior a los 3.000°C. Se distinguen distintos tipos: Horno a arco indirecto (fig. 21); se usa para fundir no férreos y también acero en cantidades limitadas, hasta n·aos 500 kg.

FIG. 21. .

Horno de arco directo tipo Heroult (fig. 22); el arco salta entre electrodo y metal; el primario del transformador se conecta a la línea de alta tensión.

oc...

FrG. 22.

Fra. 23.

43

Horno de solera conductora tipo Girod o Fíat (trifásico) (fig. 23) ; el arco salta entre electrodos y metal y la corriente atraviesa éste saliendo por el electrodo empotrado en el piso, refrigerado por agua . . Estos dos últimos tipos pueden emplearse para capacidades muy grandes, 50 toneladas de acero y aún más. Los electrodos son de carbón aglomerado o apisonado y su altura puede regularse automáticamente mediante dispositivos hidráulicos o eléctricos. Estos hornos pueden revestirse con refractario ácido o básico, y debe tenerse en cuenta que aquí no se introduce aire como en los hornos Siemens y, por lo tanto, debe partirse de cargas menos carburadas, debiendo estar el porcentaje de carbono sólo un poco por encima del que se desea obtener en el acero. Cuando se requiere quemar el carbono, el oxígeno necesario es introducido en forma de mineral de hierro o batiduras de forja o laminación (óxidos de hierro) al igual que en los hornos Siemens. Generalmente trabajan con carga sólida y las etapas de trabajo serían: 1o fusión, 29 descarburación, 3¡¡ escorificación de fósforo y azufre (en hornos básicos solamente), 49 desoxidación (con ferrosilicio y ferromanganeso), 59 ajuste de la composición final (recarburación). Ya vimos que los hornos de arco-resistencia (fig. 15) para la obtención del hierro, eléctricamente son como los de arco, pero la carga se calienta por efecto Joule de la corriente que la atraviesa.

Hornos a inducción. El calor se produce en el seno mismo del material a calentar, teniendo aproximadamente un 10 % más de rendimiento calórico que los hornos de arco. Los de baja frecuencia trabajan según el principio del transformador estático y por consiguiente tienen núcleo magnético, y el secundario, constituido por el metal a calentar, debe estar en cortocircuito; el fujo variable que circula por el núcleo magnético induce en el secundario una corriente eléctrica grande Y lo funde (fig. 24). Se utiliza para metales no férreos, bronces, aluminio, etcétera.

F:!G. 24.

FtG. 25.

Los hornos de alta frecuencia consisten fundamentalmente en un cri6ol donde se coloca el material a calentar; éste está rodeado por una bobina hecha de tubos de cobre por donde circula agua

44

L.

para refrigerarla. Se trabaja con frecuencias de 500 a 2.000 s y por consiguiente requieren generadores . especiales. Se emplean principalmente para la fabricación de aceros aleados. Son hornos sin núcleo magnético y se caracterizan por el gran movimiento de la carga fundida producido por efectos electrodinámicos de las corrientes inducidas. Existe un horno a inducción de baja frecuencia que trabaja con la frecuencia de la red urbana, 50 s, sin núcleo magnético, que sirve para fundir cualquier metal aunque no se logran temperaturas tan elevadas. Los h ornos a inducción pueden revestirse con refractario ácido. o básico para permitir el agregado de elementos de aleación que· son corrosivos para los ácidos (Cr, Ni, Mn), pero no puede reali-. zarse en ellos reacciones de afino; prácticamente se obtiene el. promedio de lo que se carga en composición química. Colada del acero

Cuando tenemos el acero al estado líquido en los hornos, para utilización podemos llenar con él directamente moldes de formas determinadas (piezas de máquinas, etcétera), que luego deberán ser ajustadas y terminadas con máquinas herramientas, o bien pueden llenarse con él formas standard que posteriormente, y mediando ciertos proceso (laminación y forjado) servirán para aplicar a usos industriales diversos, construcciones industriales, etcétera. !':U

FH; :!f; -

V ista ril' l o~ <: rll' .. urharas dt' colada.

45

·

El primer procedimiento de colado en moldes constituye lo que llama el acero colado y será objeto de estudio en el próximo .capítulo. Veremos ahora los procesos de colada y laminación. .El acero en estado líquido debe ser sacado del horno y trans!portado para llenar unos moldes de forma y tamaño standardizados (lingoteras) de donde se obtendrán los lingotes, que luego ser án !laminados, etcétera. Este transporte se hace volcando el metal del horno (sangrado del horno) sobre un recipiente de chapa revestido de ladrillos r efractarios ácidos (sílicoaluminosos), llamado cuchara. El sangrado se produce haciendo bascular el horno o rompiendo un tapón de barro colocado ex profeso, según sea ·el tipo de horno con que se trabaje. La cuchara es transportada por grúas hasta donde se encuentran las lingoteras y procede a su llenado, ya sea por volcamiento de la misma, vertiendo el acero por su parte superior, o por un agujero en el fondo, que lleva un tapón refractario (buza) accionado por una palanca. Las lingoteras de mayor tamaño se llenan directamente por arriba, o bien, especialmente las más chicas, pueden disponerse sobre una placa con canales para el llenado simultáneo de muchas dé ellas; todas se construyen de fundición de hierro y tienen forma troncocónica (fig. 27}. !e

F:ro. 27.

Una vez hecho el llenado y solidificado el acero, se procede al desmoldeo, levantando las lingoteras. Los lingotes así obtenidos pueden pasar aún calientes a la laminación o bien dejarse enfriar y almacenarse. Colada al vacío

La presencia de gases en el acero es causa de disminución de

sU. resistencia. En algunos casos se necesitan aceros de muy bajo .oontenido de nitrógeno e hidrógeno; para ello, el caldero o cuchara donde se ha recogido el acero luego del sangrado del horno, se

introduce rápidamente en una cámara donde se hace el vacío a 60-70 mm de Hg, manteniéndoselo allí 10 minutos: =---vac:ío

los gases se desprenden de la masa fundida y los aceros r.esultan· más resistentes y con menores defectos de poros etc., meJorando también la resistencia al choque. Laminación . Los lingotes fríos deben calentarse en hornos adecuados, y los que pasan calientes sólo deben calentarse para igualar el calor en hornos abiertos llamados hornos igualadores o "pit", y de allí se extraen uno a uno para pasarlos por la instalación de laminación, cuyo conjunto se denomina tren laminador y la operación se hace en varias etapas. Primero tenemos el tren "blooming" o desbastador, donde a los grandes lingotes se les hace la primera reducción transformándolos en tochos (un lingote de forma regular y de menor tamaño) , y luego este tocho pasa a los trenes laminadores propiamente dichos, que pueden ser trenes para obtener palanquillas (un producto intermedio), trenes para perfiles grandes, para perfiles chicos, para rieles, para chapas, etcétera. En general un tren laminador está constituido fundamentalmente de los cilindros y de sus soportes (telares o j;:mlas), accionados por motores eléctricos directamente acoplados con comando a distancia. Los cilindros tienen acanaladuras de tamaño progresivamente decreciente, que aproxima cada vez más al hierro que pasa a su forma final; éste es introducido como palanquilla, por ejemplo, y es arrastrado por los cilindros y se hacen sucesivas pasadas hasta obtener la forma final: hierros redondos de distintos diámetros, perfiles L, doble T, U, etcétera. Cada pasada debe producir una deformación no superior al 15 % de la sección (fig. 28).

he. 28. 47

~a figura 29 nos muestra las s ucesivas etapas de reducción, partiendo de un tocho para conformar rieles.

Frc. 29.

Las pasadas sucesivas se hacen según distintos modos de disponer los rodillos (fig. 30).

1 /---~~--' dúo

~~-ü _ __::,._ ,~ ~-&--~_:

~-

trío

doble dúo

FIG. 30.

En los trenes trío y doble dúo se hace retroceso con pasada por laminador; en el dúo la barra retrocede sin pasar por los rodillos laminadores.

Colada continua Es un oroceso moderno que se está difundiendo y que tiene la característica de que elimina la operación de la colada en }ingoteras. Con este proceso se puede pasar directamente desde la colada al tren laminador sin la obtención previa del lingote, con lo cual se ahorra calor, evitándose también todas las operaciones intermedias y por consiguiente es más económico. . En la figura 31 puede observarse cómo se produce el pasaje directo desde la colada al laminador y por eso este proceso se llama de colada continua y se comprende que se tienda a adoptarlo por sus menores costos respecto de los procedimientos clásicos.

Plantas siderúrgicas integradas y semi-integradas Ya hemos visto los distintos procesos de obtención del hierro partiendo de los minerales que lo contienen, después la obtención rlel acero y finalmente el proceso de laminación para la obtención de productos . terminados. Cuando un establecimiento o planta industrial reúne todos estos procesos, es decir, que parte del mineral y obtiene los productos terminados, se dice que es una planta integrad~.

Hay acerías que fabrican el acero y obtienen productos laminados partiendo exclusivamente de la chatarra como materia prima para sus hornos (Siemens Martín o eléctricos). Puede ocurrir también que una empresa compre la palanqui-

48

lla y tenga una planta de laminación, en cuyo caso tampoco será integrada. Cosa similar podemos decir de aquellas plantas que fabrican el acero en lingotes o en palanquillas para su venta. F.n el país hay solamente dos plantas integradas: Altos Hornos Zapla, en Jujuy, y Sociedad Mixta Siderurgia Argentina ( Somisa), en San Nicolás de los Arroyos (Provincia de Buenos Aires). La primera, Zapla, explota su propio mineral; en cambio Somisa procesa mineral que se importa de Brasil principalmente. En cambio hay muchas plantas no integradas o semi integradas.

FIG. 31.

Definiciones útiles

Tocho: Es el producto obtenido reduciendo la sección del lingote hasta 125 mm de lado aproximadamente, destinado a la venta o almacenado para su utilización posterior en los laminadores o en forja pesada. Para la laminación de chapas se parte de un tocho chato, similar al anterior pero de sección rectangular. Palanquilla: Es un producto intermedio que se obtiene laminando el tocho; es una barra de sección cuadrada con ángulos redondeados, de lados variables desde 35 a 125 mm. De ella se parte para laminar barras de distintas medidas y otros productos terminado como flejes, perfiles, etcétera.

IV Aceros y fundiciones moldeadas Acero fundido moldeado

Ya . hemos señalado que el acero obtenido al estado líquido, podía llevarse para llenar las lingoteras y luego laminar los lingotes, o bien podía ser vertido en moldes previamente preparados para la obtención de piezas o partes de máquinas. El acero obtenido por este último sistema es el que se denomina fundido mol-deado y es necesario especialmente cuando las piezas son de formas complicadas; es un procedimiento económico.

51

En general, corno el consumo de acero para estos fines es mucho menor que el de acero que se destina a ser laminado, para la obtención exclusiva de acero moldeado se usan hornos de menor capacidad. Algunos establecimientos que tienen grandes hornos para alimentar a su laminación, también trabajan produciendo piezas de acero moldeado, destinando para este fin parte del acero líquido producido. El horno preferido para este trabajo es el eléctrico de arco , de capacidad variable de acuerdo con la demanda, y también el horno a inducción, con los cuales se pueden obtener productos de buena calidad. La capacidad o tamaño del horno lo decide no sólo la demanda sino también el peso de la pieza más grande a moldear; son usuales de 700 a 4.000 kgs. La descripción de estos hornos ya la hicimos en el capítulo anterior. Todavía quedan en uso algunos hornos a fuel oil o a carbón pulverizado que antes eran muy usados. Son del tipo de llama directa con recuperación del calor de los humos; hoy se usan más para la fabricación de fundición maleable (fotografía). Fundición gris Ya vimos que el arrabio también se designa corno ft~ndicióP de primer:a fusión y que servía para fabricar el acero o para corn

boca de carga

\ tob<~ra

FJG. 32.

52

...

poner las cargas de los clásicos hornos llamados cubilotes, donde obtenemos la llamada fundición de hierro o fundición de segunda fusión. Este horno es un simple tubo de chapa revestido interior-mente con ladrillos refractarios (fig. 32). La fundición gris debe contener alrededor del 2,8 a 3,5 % de C, 1 a 2,5 % de silicio, 0,4 a 0,8 % de Mn, menos del 0,1 % de azufre y menos del 0,6% de. P. Para lograr la composición adecuada, de acuerdo con cada tipo de pieza, se componen las cargas con arrabio, chatarra de hierro fundido y de acero, ferromanganeso y ferrosilicio. De la composición resultante dependerán las características mecánicas (resistencia, etcétera) y también influye la velocidad de enfriamiento (espesor). En el cubilote se cargan capas alternadas de metal con otras de carbón de coque y piedra caliza (fundente). Para fundiciones de mayor calidad puede emplearse el horno de llama directa de la fotografía. Modernamente suele hacerse trabajar el cubilote en sistema "Duplex" con un horno de inducción a frecuencia industrial (50 s); la fundición se pasa del cubilote al horno de inducción donde se le eleva la temperatura en breve tiempo, y de este modo se obtienen piezas más sanas y de mejor calidad. Como ejemplo de una fundición gris, consignamos la composición química resultante del análisis de un aro de pistón: C: 3,11%; Si: 1.77 %; Mn: 0,6 %; S: 0,072 %; P: 0,56 %. En toda fundición gris, el efecto de los diferentes elementos es el siguiente: -El silicio es grafitizante: si su porcentaJe fuera. muy bajo no se produciría grafito que da el aspecto gris, y en cambio se produce fundición blan~a de gran fragilidad y dureza. Lo mismo ocurre por enfriamiento demasiado rápido. -El manganeso tiene efecto contrario al silicio, pero además neutraliza los efectos nocivos del azufre. - El azufre es nocivo, da dureza y fragilidad. - El fósforo es nocivo, comunica fragilidad, pero a veces se mantiene alto porque da mucha fluidez para el llenado de ciertos moldes delgados.

Fundición maleable La fundición gris tiene baja resistencia a los choques y por este motivo no puede ser empleada en piezas que trabajen en esta forma; esto es debido a la presencia de las láminas de grafito que forman como un gran número de grietas en su interior. Para evitar esta desventaja se han conseguido métodos de obtención de ]a llamada fundición maleable, que no tiene este inconveniente. 53

Hay · dos tipos de fundiciones maleables: · · ~La maleable blanca o europea. Se funde en horno rotativo; las cargas se dosifican con poco silicio para que las piezas resulten de fundición blanca. Luego éstas son colocadas en cajas de hierro, se rodean de gránulos de mineral de hierro y se colocan en horno a 900-1.000° e durante muchas horas :. y hasta días, y de este modo el carbono de la llamada cementita (eFe3 ) que constituye la fundición blanca, se va quemando hasta eliminarse, y esto puede ocurrir hasta espesores de aproximadamente 4 mm. '-La fundición maleable americana o negra, se obtiene rodeando las piezas fundidas en fundición blanca en forma similar a la anterior, con arena y llevando al horno a 900l.0000e durante muchas horas y luego dejando enfriar lentamente; a esa temperatura elevada, la cementita se descompone así: eFe3 e + 3 Fe + Q calorías y el carbono se precipita como grafito pero agrupándose en formas esferoidales, de modo que ya no forma grietas continuas como cuando se encontraba como láminas. Fundición nodular · · Los mismos fines perseguidos con las fundiciones maleables pueden conseguirse hoy directamente con hierro que sale del · cubilote, mediante la inoculación en la cuchara de pequeñas cantidades de magnesio que tiene la propiedad de hacer que el grafito se agrupe en esferas o nódulos con todas las ventajas señaladas. A esta fundición se la designa como fundición nodular, esferoidal o dúctil. · Moldeo El elemento fundamental para designar a estos procesos como moldeados, es la presencia y utilización del molde dentro del cual se va a colar el metal líquido para la obtención de la pieza requerida. Los moldes pueden ser transitorios o permanentes. Los primeros se hacen de tierras especialmente preparadas y su utilización se limita a un solo llenado, debiendo luego romperse para la extracción de la pieza. Los moldes permanentes, en cambio, sirven para un número grande de coladas, y generalmente son metálicos. Para preparar los moldes transitorios o de tierra, se requieren los siguientes elementos y operaciones: 19 Preparación de la tierra para hacer el molde; 29 El modelo;

3° Preparación de los noyos, 49 Ejecución del molde. Veremos cada punto separadamente. l. Tierras para moldeo La tierra empleada para la ejecucwn del molde de};lerá res-

ponder a exigencias que aseguren la obtención de una pieza sana y sin defectos. Debe ser plástica, es decir, permitir su conformación, reproduciendo fielmente las formas del modelo; debe ser suficientemente refractaria para resistir la temperatura del metal líquido que va a contener, sin fundirse ni ablandarse; debe permitir la salida del aire y de los gases o sea que debe ser permeable; deberá tener suficiente resistencia para soportar el manipuleo del molde y la presión del metal liquido, y finalmente, una vez fundido el molde, deberá ser suficientemente colapsable como para permitir que el metal se contraiga sin roturas en la pieza, y un fácil desmoldeo y limpieza. Hay laboratorios especialmente equipados con instrumental adecuado para evaluar cuantitativamente todas estas propiedades de una tierra para moldeo. . Hay dos tipos clásicos de tierras según que sean destinadas a moldes en seco, es decir, los que serán secados en estufa antes de su llenado y a moldes en verde, llamando así a los que se funden sin previo secado, con la humedad del moldeo. Hay tierras naturales que reúnen las condiciones antedichas por su composición química y estado físico, pero generalmente es necesario proceder a prepararlas partiendo fundamentalmente de arena clasificada y seca y de un aglutinante; el más común y económico es la arcilla que se agrega en proporciones variables, 5 a 10 %, pero debe limitarse su empleo a los límites mínimos compatibles con la resistencia del molde, pues cierra los poros e impermeabiliza impidiendo la evacuación de gases. Para moldes en verde se emplea como aglutinante la bentonita, que es una arcilla especial. Las tierras para moldes en verde tienen un agregado de aproximadamente un 5 % de polvo de carbón mineral cuya misión es formar una capa gaseosa en o con el hierro, evitando que la arena se pegue.

Flc. 33.

FIG.

34.

55

Para permitir el moldeo, todas las tierras clásicas deben tener un agregado suficiente de agua, aproximadamr:!nte 5 %. · Para preparar la tierra para el moldeo generalmente se mezcla un 70 a 80 % de tierra vieja, ya utilizada, y el resto tierra nueva. La mezcla se hace en molinos de rodillos no apoyados · (para no romper los granos de arena) (fig. 33) , y una vez lograda buena homogeneidad se pasa a un desintegrador centrífugo que acondiciona la tierra ya mezclada, desarmando todos los terrones (fig. 34). · Hay instalaciones mecanizadas que preparan la tierra ya usa- . da, zarandeando la misma, eliminando los trozos metálicos (electroimán), mezclado y luego conduciendo la tierra ya preparada a ws lugares de empleo (fig. 35). Mm:! usada

Frc.

3~.

2. El modelo

Es la forma que nos va a reproducir en el molde a la pieza a . obtener; puede construirse en madera (pino) o metálico (bronce o aluminio) y debe tenerse en cuenta que el metal se contrae al fundir y por consiguiente el modelo debe tener medidas mayores que la pieza, de acuerdo con la contracción propia de cada metal (fundición 1 %, acero 1,7 %) ; además la pieza fundida debe ser posteriormente maquinada por lo cual debe dejarse un sobreespesor conveniente donde haga falta (hasta 3 mm) . Para facilitar su extracción del molde una vez que éste ha sido confeccionado, se le debe dar al modelo una "salida", o sea una inclinación en las paredes de aproximadamente 2°. La pieza a fabricar puede ser maciza o contener huecos; en este último caso deberá llevar un núcleo o noyo, y el modelo deberá contenerlo, de manera que al terminar el moldeo y retirar el modelo, debe quedar el espacio conveniente para la colocación de los noyos con sus apoyos (portadas). Por otra parte, cuando las piezas tienen entrantes y salientes, el modelo debe ser dividido en dos o más partes para poderle:> sacar (ver fig. 37). Los modelos se pintan con barniz de goma laca pigmentado con colores convencionales para facilitar la comprensión de su utilización durante el moldeo. 58

3. Preparación de los noyos

Serán rodeados completamente por el metal líquido de manera que deben tener las mejores condiciones refractarias. Se preparan con arenas silicosas pobres en arcilla. Como aglutinante se emplea fundamentalmente el aceite de lino cocido (3-5 %) ; si se desea aumentar su indeformabilidad antes del secado, puede agregarse un 1 % de harina o dextrina. Existen productos preparados completos. Una vez preparada la tierra en un mezclador a paletas, el noyo se moldea en la caja de noyos, que es el molde que permite fabricarlos, también de madera o metálico, compuesto de dos o más partes separables. Si es muy grande se agrega un armadura metálica interiormente para darle rigidez. Los noyos formarán los vacíos de las piezas y deberán llevar sus apoyos o portadas. Una vez preparados se llevan a las estufas de secado, calentadas a leña, gas o fue! oil. Hay máquinas para la fabricación en serie de noyos perfilados o de forma determinada. 4. Ejecución del molde

Puede hacerse manual o mecánicamente. Para el moldeo a mano debe colocarse la caja de moldeo sobre un tablero y allí se ubica el modelo procediéndose al agregado de tierra de moldeo en porciones y a su apisonado con herramientas adecuadas (batos); terminado esto se da vuelta la caja, se alisa y se espolvorea con arena, se coloca la caja superior, se encaja la otra parte del modelo y la colada para el llenado, se agrega tierra y se apisona como antes; se separan las dos cajas y se extraen los modelos.

FIG.

36. - Moldeo de una barra maciza, modelo y molde termina do.

F1G. 37. - Moldeo de una barra hueca, modelo y molde terminado.

Si la índole del modelo o el tamaño de la pieza lo exigen, se agregan cajas intermedias entre bajo· y sobre, llamadas fajas.

57

chimen~a

L..- -

a la chim~n~a FIG.

38. - Estufa

Una vez terminado el molde se arreglan las imperfecciones .Y si va a ser secado se pinta con una pintura sobre la base de plombagina (grafito) ; los moldes para fundir en verde pueden espolvorearse con plombagina en polvo. Los moldes para secar se llevan a estufas calentadas a leña, gas o combustible líquido (fig. 38) . El moldeo en verde se emplea cuando las piezas a fundir son de mediano espesor; si son delgadas o muy gruesas, los moldes se secan previamente en est ufa. Finalmente se arma el molde completo engrampándose las cajas, quedando listo para recibir el metal líquido.

FIG. 39.

58

Máquinas de moldeo Se aplican para producción en grandes series, preferiblemente para moldeo en verde. . Hay máquinas que trabajan por prensado: se coloca la caja de moldeo sobre una placa que lleva el o los modelos (la placa modelo), se llena de tierra de moldeo y se prensa. Este sistema se airll comprimido membrana

.. .

cojo de moldqo

..

Fic. 40.

aplica cuando el modelo no es muy alto; si esto ocurre se emplea el sistema por sacudidas: hay un pistón accionado por aire que levanta y deja caer repetidamente la placa y caja de moldeo con

esptgos levantan placo peine y cojo de moldeo

Moq. de mol dilo

FIG. 41.

lo cual, debido a los golpes, la tierra de moldeo se reparte en todos los recovecos del modelo. Generalmente hay sistemas combinados por prensado y sacu59

didas (fig. 39). Hay un tipo moderno que moldea por la pres10n de una membrana de caucho accionada por aire a presión (fig. 40). Otro sistema proyecta la tierra sobre la caja que contiene al modelo de manera que se mecaniza el llenado y la compactación a la vez (moldeo por proyección) . La placa modelo

En las máquinas de moldeo se utiliza el modelo colocado en una placa sobre la que apoyará la caja de moldeo. Esta placa lleva uno o varios modelos según su tamaño. Generalment e se interpone entre caja de moldeo y placa modelo, la llamada placa peine que fa cilita el desm oldeo evitando r oturas en el molde (fig. 41) .

FIG. 42.

Moldeo en cáscara Es un sistema moderno conocido también con el nombre de "shell moldirrg". Emplea arenas revestidas por mezclado con una resina plástica que se endurece por calentamiento. Se moldea sobre moldes metálicos, los cuales son luego calentados y la capa que está en o con él se endurece formando una costra dura o cáscara y el resto de la arena puede volver a utilizarse. Unense las dos cáscaras de bajo y sobre para formar el molde con un adhesivo sintético, y se procede a su colado . . Como se observa, no se requiere estufado y es un proceso altamente mecanizado en la actualidad para producción en grandes.seríes usándose para fabricar moldes y noyos. 60

·Otros procesos modernos de mold,.o Para la fabric ación de moldes y noyos evitando estufados y calentamientos, existe hoy un aglutinante plástico que se agrega a la arena y que se endurece por reacción química de sus componentes (autocurado) en media hora; por consiguiente, las piezas pueden ser moldeadas y fundidas de inmediato. Anterior es el proceso de f:abricación de noyos con silicato df! sodio (vidrio soluble) que se agrega a la arena mezclándolo bien, y una vez apisonada dentro de la caja de noyos se le hace pasar una corriente de co2, con lo cual el endurecimiento es instantáneo. Limpieza U na vez que los moldes han sido llenados y el metal se ha soli.c.i.ificado y enfriado, d eb e procederse al desmoldeo, o sea a separar la caja y la tierra de la pieza fundida. El desmoldeo puede ser he· cho a mano o con máquinas; éstas consisten en una rejilla vibratoria sobre la que se coloca el m olde con la pieza fundida; la vibra·

FIG. 43.

ción produce el desprendimiento de la tierra, la que atraviesa la rejilla y cae sobre una cinta transportadora que la lleva para ser usada nuevamente, como ya vimos. A las piezas se les debe eliminar la tierra adherida, l o que se hace en tambores que se llenan y se h acen girar, desprendiéndose la tierra por los golpes mutuos (fig. 42). También puede terminarse la limpieza por chorro de arena (fig. 43), chorro de agua a presión o chorro de perdigones. 61

Rebabado e inspección de piezas fundidas Una vez limpias las piezas, deben ser rebabadas, es decir que se les · debe eliminar las babas o chorreaduras; esto se hace con buriles o cinceles manuales o neumáticos y con tijeras mecánicas, para finalmente terminar con la piedra de amolar.

FtG. 44. - - Pieza fundida, con todas las rebabas y colada, y luego de rebabada.

La operación final, antes de que las piezas sean entregadas al maquinado o al comprador, es la inspección, es decir, la revisión individual para reconocer los defectos y separar las piezas inservibles; es una operación que requiere criterio y conocimiento del trabajo a que será destinada la pieza.

62

V

Aceros especiales

Cuando estudiamos los aceros vimos que en estos siempre se encontraban presentes los elementos carbono (hasta 1,7 %) , silicio, manganeso, azufre y fósforo, siendo el carbono el elemento fundamental, el silicio y manganeso secundarios, y el fósforo y el azufre impurezas inevitables. A estos tipos de aceros los llamamos aceros comunes y su resistencia y otras características mecánicas dependen del porcentaje de carbono que contengan. Para la mayor parte de las aplicaciones industriales son utilizables satisfactoriamente estos aceros, pero para algunas construcciones mecánicas a veces se requieren cualidades superiores en lo que se refiere a mayor resistencia a la tracción, mayor dureza, mayor resistencia a los choques y a la oxidación, etcétera. Para satisfacer estas exigencias se hacen agregados de ciertos elementos llamados especiales o aleantes, cada uno de los cuales confiere al acero una propiedad bien definida. Tales elementos son: níquel, cromo , silicio, manganeso, aluminio, molibdeno, vanadio, tungsteno, cobalto, titanio y boro. Los aceros que resultan se llaman aceros especiales o aleados y pueden llevar un solo elementC1 o más de uno de los citados simultáneamente. Proceso para su obtención La masa de los elementos especiales agregados es muy pequeña en relación con la masa total de hierro, por lo cual para su fabricación debe buscarse un horno que asegure un buen mezclado. Si bien pueden ser empleados los hornos de crisol y el Siemens Martin, el que más se adapta para este fin es el horno de inducción . de 63

alta frecuencia que, como vimos, tiene la propiedad de producir

una intensa agitación del metal fundido, debido al efecto electrodinámico de las corrientes inducidas. El aporte de los elementos aleantes se hace por agregado de las llamadas ferroaleaciones que los contienen en elevado porcentaje. El níquel puede agregarse puro o en forma de ferroníquel que contiene hasta un 20 %; el cromo se adiciona como ferro cromo al 20 %; el silicio como ferrosilicio, que contiene hasta un 80 %; el manganeso como ferromanganeso, que contiene hasta un 80 %. Influencia de los elementos de aleación

El níquel aumenta la resistencia a la tracción sin disminuir la ductilidad; también aumenta la resistencia a la oxidación. Se usa para ejes y bielas poco cargadas. El cromo aumenta la resistencia y dureza y las cualidades de resistencia a la oxidación; ejemplo, para cojinetes a bolillas. Juntos el níquel y el cromo forman un grupo importante de aceros llamados aceros al cromo níquel, caracterizados por su elevada resistencia y dureza y también por su resistencia a la oxidación; o sea que las propiedades de cada uno se combinan en este grupo. Se usan para construcción de piezas de mecánica con contenidos de níquel de hasta 5 % y de cromo hasta 2 %. En los que deben cementarse (para dureza superficial) el porcentaje de carbono es inferior a 0,2, y los que deben templarse solamente, pueden llevar hasta 0,6 % de C. Se emplean para engranajes, ejes, cigüeñales, bielas. Se emplean también para fabricar aceros inoxidables de varios tipos, según el medio en que actúan, pero el más conocido es el llamado 18-8 (18 % de Cr y 8 % de Ni) . El silicio se considera elemento aleante cuando se encuentra en contenidos superiores al que corrientemente tiene el acero (aproximadamente 0,3 %, empleándose en tal caso como desoxidante); tiene la propiedad de elevar el límite de elasticidad y por eso se emplea hasta el 1,5% en los aceros para resortes. Hasta el 5 % se emplea en chapas para motores eléctricos, pues mejora las propiedades magnéticas disminuyendo las pérdidas. El manganeso neutraliza los efectos nocivos del azufre y además confiere mejores cualidades para el templado, por eso se usa junto al silicio en los aceros al silicio manganeso para elásticos. También se usa el manganeso al 12 % en aceros que deben resistir fuertes desgastes, como en molinos (acero Hadfield) . · El aluminio se agrega como un buen d~soxidante y afinador del grano metálico. Para aceros que se van a endurecer superficialmente por nitruración, se agrega aproximadamente 1 %. El molibdeno mejora la resistencia a la tracción y al ''creep" (fluencia en caliente), pero se usa especialmente para aumentar 64

la templabilidad (distribución, penetración de la dureza de temple), de modo que se agrega a los aceros finos que deben templarse. El vanadio es un elemento que se agrega para que la estructura granular de los metales sea fina y no de grano grueso, ya que en este último caso es más frágil, y de condiciones mecánicas inferiores. Es también un fuerte desoxidante. Está presente, por eiemplo, en acer os para resortes y herramient::~s · El tungsteno es un endurecedor, empleándose especialmente en aceros para herramientas, manteniendo la dureza aun a elevadas temperaturas. · El cobalto se emplea junto al tungsteno en los aceros para herramientas reforzando sus propiedades. El titanio es desoxidante y afinador de grano; estabiliza los carburos y evita efectos de corrosión en aceros inoxidables. El boro es de empleo reciente y se usa agregado en cantidades pequeñísimos como 0,001 %. Tiene extraordinaria eficacia para aumentar la templabilidad, y su efecto en este sentido es 50 veces mayor que el del molibdeno. Aceros para herramientas de corte

En las herramientas se requiere una buena capacidad de corte, esto es, la capacidad de arrancar la mayor cantidad posible de viruta en el menor tiempo. Los aceros comunes también se usan para esto, pero no pueden emplearse para trabajar con materiales muy duros o a gran velocidad, pues cuando se calientan a temperatura superior a 200° e, se ablandan totalmente y pierden su filo. En cambio, hay aceros aleados con los cuales pueden fabricarse tales herramientas que permiten elevadas velocidades de trabajo y por este motivo se les llama aceros rápidos, pudiendo llegar a calentarse hasta 600° e sin que pierdan su filo. La composición química de los aceros empleados es compleja, y normalmente, además de c~rbono, llegan tungsteno, cromo, vanadio y molibdeno. Estos aceros suelen clasificarse en: semirrápidos con hasta el 14% de tungsteno; . rápidos con hasta el 18 % de t ungsteno; extrarrápidos con el agregado de cobalto, que mejora considerablemente sus características de corte. En la sección de tablas, al final del libro, hemos agregado una tabla de ejemplos de aceros aleados y también otra de aceros especiales para herramientas, con sus principales características y usos. Para que las herramientas reúnan sus necesarias características de durezas, deben indefectiblemente ser sometidas a un tratamiento térm1co como se indica en cada ejemplo de la tabla. 65

Para mejor comprenswn, estos importantes procedimientos metalúrgicos los trataremos separadamente en el próximo punto.

fratannientos térmicos Los materiales metalúrgicos frecuentemente son sometidos a ciertos procesos o ciclos de calentamiento y enfriamiento a velotidades determinadas mediante los cuales se consiguen propiedades más convenientes para su utilización industrial. Estos procesos se denominan tratamientos térmicos y según la temperatura que se alcanza en el calentamiento, y la velocidad del enfriamiento posterior, se clasifican en: temple, normalizado, recocido, revenido. o

e homog~n!lizociÓn

te

minutos Frc. 45.

Los aceros son los materiales más ampliamente usados en lo3 cuales siempre se hace algún tratamiento térmico antes de su utilización y a ellos nos referiremos en particular. Estos presentan ciertas temperaturas en las cuales se producen modificaciones en su estructura íntima; tales temperaturas se llaman puntos críticos y es necesario llegar a ellos en el calentamiento, y aun pasar un poco más, para lograr la transformación deseada (los aceros presentan una temperatura crítica inferior y una superior, Ac3 y Ac1 (fig. 121). El gráfico siguiente nos muestra cómo se produce el calentamiento de un acero hasta 30-50° C por encima de la tempe ratura crítica superior, manteniendo un cierto tiempo este tempPratura, dependiente del espesor dQ la pieza; luego, según la veloci dad con que enfriemos, tenemos los tres procesos (fig. 45): El recocido se hace con enfriamiento lento, generalmente dentro del mismo horno de calentamiento. Mediante este proceso St> consigue ablandar el acero para facilitar su trabajado. A temperatura algo superior se consigue homogeneizar la composición. 66

También puede hacerse un recocido sin llegar a la temperatura crítica (subcrítico) con el propósito de eliminar las tensiones internas, que son tensiones elásticas remanentes del colado, trabajado en caliente, etcétera, y que si no se eliminan pueden provocar la ruptura de piezas aparentemente sanas. E! normalizado se hace, como se observa, cuando se enfría con una velocidad intermedia y para comprenderlo es necesario conocer previamente que los metales se encuentran formados por cristales o granos metálicos (ver apéndice pág. 129), los que se agrandan cuando se someten a temperaturas elevadas durante tiempo prolongado, y que ese tamaño se mantiene si se enfría lentamente, y en cambio se reduce o afina cuanto mayor es la velocidad de enfriamiento. Ocurre que cuando se forja un acero, por ejemplo, hay partes que se calientan más que otras y asimismo algunas enfrían más rápidamente que otras y en consecuencia la pieza presenta distintas zonas con granos de tamaños diferentes. Como este tamaño de grano tiene una gran influencia sobre las propiedades mecánicas (grano fino, mayor resistencia), es necesario normalizar el tamaño de grano, o sea llevar la pieza a una condición normal o uniforme. El tamaño se determina por medio del microscopio con ayuda de patrones o standards, aunque puede obtenerse una idea a simple vista observando la fractura o zona fracturada de una barr a, por ejemplo. Regulando la velocidad de enfriamiento puede lograrse a voluntad el tamaño de grano más conveniente. El enfriamiento para normalizar se hace sacando la pieza del horno en que se ha calentado por encima de la temperatura crítica superior, y dejándola enfriar al aire (calmo o en movimiento), en montón o individualmente, según la velocidad deseada. Con el normalizado se consigue una mayor resistencia con poca disminución de la ductilidad, sin llegar al endurecimiento por temple. E! temple consiste en que teniendo el acero caliente en un horno a temperatura por encima de la crítica superior, procedemos a enfriar bruscamente en agua o aceite. En esta forma conseguimos una gran dureza en los aceros con contenidos de carbono superiores a 0,35 %. Cada acero, según su composición química, debe ser enfriado a una velocidad mínima necesaria para que en su estructuw ín- . tima se produzcan las transformaciones que originan la aparición de microconstituyentes duros, y a esta velocidad de enfriamiento se denomina velocidad crítica. Luego del temple aumentan la dureza, resistencia, límite elás, tico y disminuye el alargamiento. Cabe preguntar por qué se endurel.!e el acero cuando lotero: plamos; la explicación podemos obtenerla haciendo un estucllo mas · completo del fenómeno en el apéndice en página 147.

67

La severidad del temple puede ser graduada eligiendo u n medio de enfriamiento conveniente, pudiendo usarse agua con aproximadamente 10 % de sal, agua pura o aceite entre otros, y asimismo dependerá de la temperatura de dicho medio. Puede ocurrir que si tenemos dos piezas del mismo acero pero de distinto diámetro, a y b de la figura 46, y las templamos en el mismo medio, por ejemplo, agua, la de menor diámetro se endurezca totalmente en todo su diámetro, y la gruesa n o, como indica la figura: 40 42 44 46 Re

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4a.

lo cual se deberá a que en el caso b, en el interior no se logra la velocidad crítica de enfriamiento de que habíamos hablado, por influencia de la mayor masa; si efectuamos el enfriamiento en un medio más severo, por ejemplo agua y sal, los valores de dureza decaerán menos. Si en cambio tenemos una pieza de acero aleado (e de la figura) templada como en los casos a y b, la dureza se distribuye más uniformemente y decimos que este acero tiene mejor templabilidad. Observemos que en todos los casos la dureza máxima permanece constante, pues ésta depende sólo del porcentaje de C. La templabilildad se refiere a la profundidad o distribución de esa dureza y puede ser mejorada por el agregado de elementos especiales que producen una disminución de la velocidad crítica necesaria para que haya temple. Hay métodos para determinar la t emp1abi1idad

Revenido : Los aceros que han sido templados quedan con tensiones internas como consecuencia de los cambios bruscos de temperatura y de contracciones y d ilataciones desiguales. Por consiguiente se procede a un calentamiento por debajo de la temperatura crítica; esta temperatura depende del tipo de acero y de la dureza final deseada, pues los productos duros de temple se mo-

68

difican en este calentamiento. El proceso completo de temple y revenido quedaría representado gráficamente en la figura 47. La figura 48 indica cómo varía la dureza con el revenido; observar que en los aceros aleados, a aproximadamente 500° C hay un aumento de dureza (dureza secundaria) que es debido a la formación de carburos dobles. No sólo para cada acero, sino también para cada tipo de pieza, por su forma constructiva, su tamaño, su masa, su uso, es necesario estudiar en cada caso el tratamiento térmico adecuado, las temperaturas máximas y mínimas a aplicar, etcétera. HRc ?O

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oc~ro

ohlodo 16-4 -1 ( W- Cr-Va )

FIG. 47.

FIG.

48.

Los aceros rápidos para herramientas necesitan temperaturas más elevadas de calentamiento, ya que con los elementos aleantes agregados y el carbono, se han formado compuestos llamados carburos, de difícil disolución. Otra característica de estos aceros es que necesitan un doble revenido para lograr sus mejores condiciones de dureza. En el apéndice (págs. 148 a 150) se amplía el tratamiento del tema. Tratamientos isotérmicos

Los tratamientos que se han señalado anteriormente son los clásicos empleados, pero cabe señalar también que se presentan algunos inconvenientes, y para superarlos existen otros métodos modernos que se han agrupado bajo la denominación de isotérmicos porque las transformaciones deseadas en las estructuras de los aceros se realizan en baños a temperatura constante y no con enfriamiento continuo como en los casos anteriores. Estos tratamientos se realizan mediante baños de sales o de plomo calentarlos a temperaturas adecuadas en los cuales se sumergen las piezas, previamente calentadas en horno por encima de la temperatura crítica superior, manteniéndolas allí un tiempo determinado, procediéndose luego a enfriar al aire. La temperatura elegida para estos baños es clave para determinar si se logrará un recocido o

un temple: a temperatura alta (650-800° C) tenemos un recocido; a temperatura baja (200-300° C) tenemos un temple. El recocido isotérmico tiene la ventaja sobre el clásico de que permite ganar mucho tiempo, ya que el enfriamiento lento se suspende mucho antes. El temple, llamado "austempering" o "martempering", según el caso, evita las grietas que se producen en el temple clásico por el enfriamiento brusco. El "patenting" es un tratamiento aplicado en la fabricación de alambres y se realiza con un baño de plomo a 600°C. En el apéndice, pág. 150, ampliamos este importante tema. Tratamientos térmicos superficiales Hay algunos casos de piezas que deben poder soportar un gran desgaste superficial, además de absorber otros esfuerzos de flexión, torsión, etcétera, como en el caso de ejes largos y cigüeñales. Si fueran totalmente endurecidos aguantarían el desgaste pero no soportarían la flexión o la torsión y se romperían; en estos casos se hace un endurecimiento superficial manteniendo el núcleo blando, y para ello hay varios procedimientos: -Cementación: se parte de un acero con contenido de C inferior al 0,2 %; se coloca la pieza en caja rodeada de carbón vegetal con el agregado de acelerantes (ej.: COsBa), durante varias horas a 925°C, produciéndose la carburación de una capa de hasta 1 mm de espesor . Luego se sacan las piezas y se templan, endureciéndose sólo la capa exterior carburada. - Nitruración: para producir el endurecimiento se usa el nitrógeno proveniente de la descomposición del amoníaco, con lo que se obtienen capas duras pero de menor espesor; esta operación se hace en hornos de bajas temperaturas: 500° C. - Carbonitruración: se hace con gases o en baños de cianuro. Estos últimos procedimientos son en realidad tratamientos termoquímicos. Existe un procedimiento moc1.erno de tratamiento superficial con calentamiento inductivo por corriente eléctrica de alta frecuencia (fig. 49). A es la pieza a endurecer superficialmente, hecha con un acero que debe tener entre 0,35 y 0,8 % de C. es decir, capaz de templar; al circular una corriente de alta frecuencia por la bobina B (refrigerada interiormente por agua), que rodea a la pieza, se induce en la superficie de A una corriente que produce un intenso calentamiento por efecto Joule, llegándose a temperaturas por encima de la crítica necesaria; luego se enfría bruscamente y sólo templa la parte calentada, o sea la superficie. En caso de ejes muy largos se aplica el procedimiento de temple progresivo

70

(fig. 49 b): la pieza se desplaza pasAndo dentm de la bobina y enfriándose inmediatamente con un chorro de agua. El espesor o corona en oue se induce la corriente depende de la frecuencia de la corriente empleada, siendo menor cuanto mayor es la frecuencia. Cuando se desea calentar todo el diámetro se usan frecuencias bajas y así se trabaja para forja (ver pág. 80: Fraguas y hornns) .

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a FIG.

49.

El tipo de aceros señalado se presta para este tratamiento porque siempre queda una capa intermedia que no logra alcanzar la temperatura crítica superior, pero sí la inferior, de manera que templa parcialmente, y sirve de anclaje a la capa externa totalmente tem plada (ver pág. 149).

71

~

..

VI Foriado

Es un procedimiento termomecánico empleado para la fabri~ cación de piezas metálicas. Está basado en la plasticidad, que es la propiedad de los metales de poderse deformar sin romperse, y esta deformación se realiza mediante la aplicación de fuerzas exteriores (presiones o golpes) que nos permiten dar forma o conformar convenientemente al metal con el uso de herramientas adecuadas. Recordemos que para la utilización de piezas mecánicas, éstas deben trabajar en la zona de las deformaciones elásticas, lo que significa que si se retira la carga o esfuerzo actuante, la pieza reto~ ma su forma primitiva, anulándose las deformaciones. En este caso las deformaciones serán plásticas o sea permanentes. Sólo podrán forjarse aquellos metales que en el ensayo a la tracción acusan fuerte alargamiento: plomo, zinc, estaño, cobre, latón, aluminio y acero dulce; en los metales blandos como el plo~ mo, puede trabajarse a temperatura ordinaria, pero en el caso del acero, se trata de una tecnología muy difundida, se forja a 850 a 1.000° C, ya que a esa elevada temperatura se pone convenientemente plástico y en esta forma se elaboran industrialmente grandes cantidades de este metal; modernamente también se está haciendo conformación en frío o en tibio (hasta 500° C) de pequeñas piezas de acero mediante la aplicación de elevadísimas presiones. Es de hacer notar que la deformación plástica en frío deja al metal más duro y resistente, lo que se conoce con el nombre de acritud, debido a que sus granos resultan deformados y rotos; esto significa una deformación en la red cristalina que constituye el grano (ver apéndice); la energía aportada para la deformación queda almacenada en dicha red bajo la forma de deformaciones

73

elásticas; se dice que la red se ha distorsionado y esta distorsión produce el aumento de resistencia y de dureza; en cambio, cuando se forja en caliente, la estructura granular se reconstituye (recristaliza). Cada metal tiene una temperatura mínima de recristalización. · Clasificaremos a la forja en pesada> semipesada y liviana. En el primer caso se parte de los grandes lingotes fundidos para fabricar piezas de gran tamaño como, por ejemplo, cigüeñales para grandes motores diesel. La laminación a partir de dichos lingotes también sería un tipo de forja pesada; en tal caso obtenemos productos intermedios como la palanquilla y barras cuya u tilización da lugar a la forja semipesada y liviana. En las forjas semipesadas y pesadas es indispensable la existencia de grúas y guinches par a el movimiento del material. En general se requiere gran habilidad en los operarios intervinientes en este oficio. Cuando se fabrica una pieza por forja no se termina a las medidas de su utilización sino que se deja un sobreespesor para el maquinado final. Este procedimiento se aplica cuando su costo resulta menor que si se hiciera totalmente por maquinado, o cuando su forma no permite obtenerla por otro procedimiento. Las piezas de forma complicada se hacen fundidas por resultar más baratas. Por otra parte hay que aclarar que las piezas forjadas resultan de .una resistencia superior por la compactación que sufre el material. quedando con grano más fino respecto de las fundidas, y además porque no se cortan las "fibras" que presenta el acero com o cuan do se hace el maquinado. (Las fibras son las impurezas que tiene el ácero, las que por la laminación se han dispuesto en forma longitudinal; una pieza fundida no tiene fibras (fig. 50).

fibras

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., diámetro de la barra de que srz parte

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1

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Remach!Z fcxjodo FIG. 50.

Las fibras sólo pueden ponerse de manifiesto mediante ataques ácidos. Máquinas empleadas par a forja-martillos y prensas Estas máquinas trabajan por golpes repetidos en caliente (mar-

74

tillos pilones y martinetes), o por presión, esfuerzos estáticos (prensas). Los martillos pilones y los martinetes trabajan según el principio de la caída de una maza desde cierta altura sobre el acero. Para accionar la maza puede emplearse el vapor o el aire. En general suele designarse como martillos pilones a estas máquinas caracterizadas por el gran peso de su maza, pudiendo llegar hasta 125.000 kilogramos; tienen dos patas de apoyo o montantes; los martinetes de un solo montante o apoyo se fabrican hasta un peso de maza de aproximadamente 1.800 kilogramos. Se comprende que estas máquinas deben instalarse sobre fundaciones capaces de amortiguar las vibraciones resultantes de los golpes, pues de otro modo éstas se transmitirían al terreno, causando daños a, otras instalaciones y edificios; se colocan a tal fin, capas de arena, madera, corcho o fieltro . Se prefiere asentar los cimientos del

FIG. 51.

bastidor sobre los cimientos de la chabota para evitar cambios de posición relativa de la estampa superior e inferior (fig. 51). Existen martinetes de simple efecto y de doble efecto; en los primeros el vapor actúa sobre la cara inferior del cilindro levantándolo, y luego se abre el escape de manera que la maza cae por su propio peso para golpear sobre el acero. La fuerza para elevar la maza será '1T

F a = - (D2 -d 2) 4

p> G 75

siendo D d p G

el diámetro del émbolo diámetro del vástago presión de vapor peso de la maza

El golpe se traducirá en una cierta cantidad de trabajo que el mismo podrá producir, el que estará dado por el peso de la maza por la altura de caída h: T=G

~h

kgm

pero debe considerarse un cierto rendimiento ya que el golpe es transmitido a la base y a la chabota de manera que podemos poner 1J

puede ser por ej. 0,8

---a las volvulas

de control

·- ----escape a las válvulas dll control

Simolfl flfecto

Doble efflcto

Fic. 52.

FIG. 53.

En los martinetes de doble efecto el descenso de la maza se hace n o solamente por el peso propio sino también por la presión del vapor que ahura se hace actuar sobre la cara superior del émbolo, el que entonces descenderá con una fuerza Fd

78

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"'1)2

4

P+G -R

donde R es el rozamiento del émbolo sobre el cilindro; y el trabaio será: T=Fd ·h kgm Prensas

Dijimos que trabajan por presión estática. Pueden ser hidráulicas o mecánicas. Fundamentalmente constan de un cilindro dentro del cual se mueve un émbolo E (fig. 54) el que es accionado por agua proveniente de una bomba a pistón B que la toma de un recipiente A El émbolo lleva un vástago, y fijo a él va la partesuperior de la estampa. Para conseguir una presión continua. y uniforme se agrega un acumulador de presión P; cuando lospesos bajan se cierra un circuito K que pone en marcha la bomba. La llave Ll invierte el proceso mandando el agua al depósitO! o elevando el émbolo.

Po$1clont:5 de la Uovc U

e } ot cOIT()ritnfr b) ot dcscorQof

FIG. 54.

Las pren_sas mecán~cas P,ueden ser: a disco de fricción, para estampado, flg. 55: segun cual sea la rueda que se aprieta contra el volante V, el porta estampa bajará o subirá. También existen prensas accionadas a excéntrica o balancines (fig. 56).

Frc. 55.

FIG. 56.

77

Fraguas y hornos El material que va a ser trabajado en las máquinas descriptas· ·-debe ser previamente calentado en una fragua o en un horno. ·Cuando se trata de pequeñas piezas o calentamiento de sólo una parte de una pieza de mayor tamaño se usan las fraguas a carbón mineral (hulla) (fig. 57) o también a combustible líquido, que :son hornos de pequeñas dimensiones para calentar, por ejemplo, 1a punta de las barras a estampar.

ventilador

\

FIG. 57.

Si el calentamiento es total. se emplean hornos a combustibles líquidos o gas, de llama directa para grandes piezas o de llama indirecta para piezas de menor tamaño, con uno o más quemadores según la capacidad del horno (fig. 58). ·~·

FIG. 58.

FIG. 59.

Modernamente, para trabajos en serie se utiliza el calentamiento por inducción: el material, de dimensiones uniformes, pasa dentro de una bobina recorrida por corriente que induce en él otra corriente que por efecto Joule la calienta. Es una operación rápida que evita el tiempo insumido en los hornos a combustible (fig. 59).

78

Forja libre y con estampa cerrada

La foria comprende dos operaciones tundamentales: el martlllado y el estampado. Mediante el martillado y con el empleo de las herramientas específicas de la forja se producen estirados, doblados, ensanchamientos, cortes, acumulaciones de material (recalcado), etc. El estampado es la fase final de la forja después de ~as grandes deformaciones; tiene por objeto dar una forma más geométrica y regularizar la sección. Cuando se necesita una es-

FIG.

GO.

tampa completa para conformar, se emplean las estampas cerradas, compuestas de dos mitades, una superior y otra inferior. En la figura 60 podemos ver una pieza fabricada por martillado y estampado final, en sus diversas etapas, y la estampa empleada. P or procedimientos similares se fabrican los cigüeñales de automotores. Re calcadoras

La operación de recalcado es una operac10n en el sentido de aumentar las dimensiones transversales, o producir acumulaciones de m aterial en un lugar determinado ; es la operación contraria al estirado; industrialmente se hace para la fabricación en serie de clavos, remaches, cabezas de bulones, etc., y se realiza en máquinas recalcadoras que dan el golpe en el se~tido necesario para conformar con las estampas o matrices adecuadas. En la figura 61 podemos ver un juego de matrices. Generalmente las mismas máquinas l.levan un dispositivo de corte o cizalla que permite una fabricación completa, por ej. de remaches partiendo de barras; el operario cumple los siguientes

79

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- -· -

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Fzc. 61.

ciclos: calienta en fragua el extremo de la barra, estampa la cabeza, corta en la cizalla el largo adecuado, y luego repite el ciclo en forma continuada. En la figura 62 podemos ver dos ejemplos de piezas estampadas, una válvula para automóvil y un remache.

D FIG. 62.

Forjadoras a rodillos

Son máquinas para procedimientos especiales de forja aplicadas cuando se trata de preparar piezas de sección constante. Ya vimos el caso de la laminación para hacer barras, perfiles, etcétera. Otra máquina de este tipo es para fabricar llantas para ruedas de ferrocarril y otros usos. Se parte de un bloque circular o disco

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FIG. 6S.

80

que se punzona, es decir se agujerea sin sacar viruta, por la acción del punzón, y luego se procede a laminar entre dos cilindros. También puede partirse directamente de un cilindro hueco fundido ex profeso. En la figura 63 vemos las distintas fases del proceso, terminando en la laminadora o forjadora a rodillos. Técnica empleada para el diseño de estampas

La estampa o matriz es un molde empleado para el proceso de forjado en caliente con martinetes o prensas. Se aplica para fabricación en serie. Consta de dos o más partes y puede ser cerrada, semicerrada y abierta, en este último caso para piezas largas o con vástagos, por ejemplo. Fundamentalmente podemos decir que la forma a dar a la pieza que queremos forjar se reproduce en un bloque de acero duro que se divide convenientemente, de manera que las partes superpuestas dejan un hueco que debe ser llenado por el material que se forja.

Fra. 64.

Para estos trabajos se prefieren los martinetes de caída libre que siempre golpean con la misma fuerza (en este tipo de martinetes, la maza es elevada por el vapor, o por un motor que tira de un cable sujeto a ella, y luego la deja caer libremente). También se usan las prensas; en la parte inferior se fija una parte de la estampa, la que lleva la cavidad, y en la superior, el troquel o parte saliente; en la cavidad se coloca un trozo de acero calentado, a.e volumen calculado como para llenar la estampa. con un pequeño exceso; luego se golpea o se prensa hasta que el acero fluye ocupando los espacios del molde y además la unión de las dos partes de la estampa, formando la rebat ba (fig. 64). 81

Para el diseño de las estampas deben tenerse en cuenta slgunos factores: 19 Correcta elección del material. 2Q Cuidar la dirección de las fibras en relación cc::1 las direcciones de mayor esfuerzo. 3
49 Cuidar de no diseñar partes débiles; es prefenble un exceso de material a una rotura de la matriz, pues ésta cuesta muchísimo más que un exceso de acero. Debe tenerse en cuenta de no sobrepasar la resistencia específica del material, considerando la presión (prensa) , 0 e! 3mpacto (martillo) . 59 Debe dejarse algo de juego libre entre las dos partes de la estampa (un 5% del espesor del material a emplear) , de manera que no haya desgaste excesivo de !~;atriz, ni tampoco se forme rebarba muy grande. Elección de materiales para estampas y fabricación de las

misma~

Para grandes estampas de forma simple se emplea genera!mente el acero común al carbono, pero para aquellas de forma intrincada que deben soportar grandes esfuerzos para forzar al acero a ocupar los espacios huecos, se usan aceros aleados (ver cuadro en pág. 157). En todos los casos estos aceros deben ser térmicamtmte tratados. El proceso de fabricación de estampas comprende las siguientes etapas:. }Q

Forjado del bloque del que se hará la estampa.

2
bricar.

49 Maquinado (fresado, torneado, agujereado, cepillado, :ectificado, etc.). 5Q Tratamiento térmico (temple y revenido). 69 Rectificado final. Este es el procedimiento clásico de fabricación; existe un método moderno fundado en el mecanizado por chispas que saltan entre un electrodo de grafito que tiene la forma de la pieza cuya estampa se quiere fabricar y un bloque de acero que es el que se trabaja y que será la estampa; este bloque de acero va colocado en una batea llena de un líquido dieléctrico como la ,t>arafina o 82

el diesel oil que además sirve para refrigerar y para arrastrar las partículas de acero desprendidas en el proceso. .. El sistema se conoce con el nombre de electroerosión y pueden trabajarse con él aceros ya templados de manera que se asegura exactitud total y se eliminan los riesgos de rajaduras o deformaciones durante las operaciones de temple y rectificado finales. i

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FIG. 65.

En la sección de tablas en página 157 indicamos como ejemplo algunos materiales empleados para construcción de estampas y el tratamiento térmico aconsejado en cada caso.

Rebabadoras (o rebarbadoras) Ya vimos cómo se producían las rebabas (o rebarbas), y en el proceso de fabricación deben ser eliminadas; a tal efecto se emplea el desbarbador compuesto de matriz y punzón (rebabadoras). En la figura 65 podemos observar el juego de matriz y ¡.¡tmzón y la pieza de la fig. 60 antes y después de la eliminación de sus rebarbas. Defectos de forja

En cualquiera de los métodos de forja vistos pueden aparecer defectos que hasta lleguen a inutilizar la pieza fabricada u obliguen a efe('tuar reparaciones con operaciones adicionales de soldadura, etcétera. 83

Para evitar estos problemas, en primer lugar se debe partir de lingotes sanos, sin cavidades oxidadas ni rechupes ; se llaman así los huecos que quedan en la parte central del lingote y que resultan de la contracción propia del metal que ha solidificado primero, cerca de las paredes de la lingotera. La contracción es inevitable, pero se aplican técnicas para evitar el rechupe con productos exotérmicos que se aplican durante el llenado, o por cortes de la parte superior del lingote, donde se procura que se localicen, con soplete. Si se lamina un lingote con este defecto, se mantiene la falla en muchos metros de hierro laminado. El descripto sería un defecto originado en la fusión, que puede llegar a la forja, pero en esta última también pueden originarse otros defectos similares en lo que hace a la falta de continuidad de la masa metálica, pero con la particularidad de que la mayor parte son superficiales, queriendo significar con esto que el defecto llega a la superficie, siendo generalmente de profundidad limitada. Como ejemplo tenemos los pliegues que se forman con partes salientes del material en proceso, quedando al final una grieta que aparece durante el maquinado y que puede inutilizar la pieza. Magnaflux y otros métodos A fin de no enviar al servicio piezas con fallas de forja o para detectar con anticipación el defecto en la materia prima destinada a ser maquinada, se emplean distintos métodos, algunos muy sencillos como el clásico de sumergir las piezas en diese! oil o kerosene, luego secar bien y finalmente espolvorear o pasar una tiza: donde hay grieta el aceite sale y se ve la mancha sobre la tiza. Hoy este método ha sido perfeccionado, empleándose tintas penetrantes fluorescentes y detectándolas después con luz negra. El método magnético llevado a cabo con el aparato llamado magnaflux es el más preciso; si colocamos una barra en un campe magnético, las líneas del campo se disponen en su interior en forma regular como se indica en la figura 66 (izquierda), pero si la barra tiene una grieta, las líneas se desvían como se indica a la derecha.

FIG. 66.

Si espolvoreamos con limaduras de hierro, éstas se dispondrán a lo largo de las líneas del campo poniendo en evidencia la grieta existente en el caso de la derecha. ·. 84

La figura 67 nos representa un esquema del aparato.

e c. FIG. 67.

Para detectar grietas de cualquier posicwn sin tener que mover la pieza, se fabrican con magnetización longitudinal y transversal. Si bien éste es el método más específico aplicado a piezas forjadas, hay otros métodos modernos para detectar defectos no sólo superficiales sino también internos: Rayos X, aplicable para no mucha profundidad del defecto. Rayos y, similar a una radiografía efectuada con material radioactiva (gammagrafia), aplicada especialmente para lugarE-s inaccesibles a los aparatos de rayos X, y finalmente Ondas ultrasónicas, aparato muy empleado, sin limítaciones de espesor (hasta 10m): se envian rayos que rebotan en los defectos y su respuesta se observa en una pantalla osciloscópica de Ja que puede deducirse incluso la distancia del defecto.

VIl

Soldadura

La unión de partes metálicas entre si puede hacerse de varios modos: por métodos mecánicos (bulones, remaches), por métodos químicos (cementos o sustancias quimicas), o por procedimientos metalúrgicos, que son los que nos interesan especialmente y a los que designamos como soldaduras. En todos los casos las super· ficies a unir deben estar limpias; a tal efecto para las soldaduras se emplean sustancias capaces de eliminar los óxidos, las que reciben ei nombre de fundentes; la oxidación se favorece con las altas temperaturas y por consiguiente el trabajo debe hacerse Jo más rápidamente posi ble.

i

Sin fusión del metal base

1i

~

Con metales cuyo punto de fusión es menor de 425°C (Pb y Sn en r distintas proporciones) Soldadura ~ Fundentes: Sebo, estearina, resiblanda · 1 nas, cloruro de Zn Se aplica sobre Cu, Ni, Pb, Sn, Zn, con lámpara de soldar

l

metales cuyo punto de fusión ( Con es mayor de 425°C (latón, bronce, cobre, plata) Soldadura J Fundente: Bórax.. fuerte ] Se aplica sobre bronce, latón, hierro, con soplete o calentamiento 1 l inductivo 1

(Continúa en la página siguient4J)

87

Metal base en estado plástico Con fusión r del metal -{ Soldadura base l autógena

f En frío: por presión (*) -{ En caliente: por golpes y por fricr l ción

{

Por gases Aluminotérmica Eléctrica

La soldadura por golpes es muy antigua; consiste en superponer las partes a unir previamente calentadas a unos 1.300°C en fragua y proceder a dar golpes repetidos, con lo cual se salta la escoria y se produce la soldadura, desarrollándose nuevos granos metálicos comunes a las dos partes (puede agregarse bórax como fundente); los bordes pueden ser previamente preparados en bisel o en V. La unión resulta muy fuerte (fig. 68). La soldadura por fricción se aplica en algunos casos de ejes por ejemplo; el calentamiento se logra apretando las partes que giran, una contra otra, y cuando llegan al estado plástico se detiene el giro y se comprimen (fig. 69).

FIG. 68. - Soldadura por caldas.

FlG.

69.

Para nosotros tiene especial interés la soldadura autógena que pasamos a tratar.

Soldadura autógena Las dos piezas se unen por fusión de sus bordes y aportando, además, metal fundido de la misma naturaleza. Se usa mucho para hierro. Puede hacerse por fusión con gases, por aluminotermia, o eléctricamente. La soldadura por fusión con gases utiliza el calor de la combustión del hidrógeno o del acetileno con el oxígeno; también se emplea el gas propano. La oxiacetilénica es la más empleada y la de llama más caliente, unos 3.000°C; se aplica a la soldadura del hierro y a bronces. El oxígeno empleado se obtiene destilando el aire líquido y se provee envasado en botel!as de 6 m 3 a 150 atmósferas. También se obtiene por electrólisis del agua. (*) Para unir por presión en frío se necesitan muy grandes presiones, por ejemplo para el plomo, aproximadamente 20 kg/mm2.

88

El acetileno tiene por fórmula C2H 2 y se obtiene a baja presión en los generadores a carburo de calcio y agua, de acuerdo con la siguiente reacción: C2Ca

+ 2 H20 =

C2H2 + Ca (OH) 2

el esquema de este aparato puede apreciarse en la figura 70; allí la llave Ll puede ser accionada por una palanca al descender la campana del gasógeno. campana_

FlG. 70.

Para evitar que por alguna obstrucción en el soplete, el oxigeno, p or estar a mayor presión, pase al recipiente de acetileno, con lo que se produciría explosión, así como para prevenir el retroceso de la llama, se intercala el recipiente de seguridad S; la contrapresión hará bajar el nivel del agua hasta descubrir el tubo más corto, dando salida al ambiente. A presiones de alrededor de 1 kg/cm2 (10.333 mm de columna de agua) el acetileno se descompone violentamente en sus componentes, carbono e hidrógeno, por lo cual se establece que los generadores no deben trabajar nunca a presiones mayores de 0,14 kg/cm2 . Asimismo no debe permitirse la entrada de aire al gasógeno, ya que las mezclas de éste con el 2 al 58 % de acetileno son explosivas. Además no deben usarse caños de cobre para las conducciones de acetileno, pues en o con metales que lo contengan en proporción mayor del 80 %, forma compuestos explosivos de cobre.

Presiones de trabajo El generador que vimos se usa para soldar con gas a baja presión. Para instalaciones de alta presión (mayor potencia calórica)., se provee acetileno disuelto en acetona dentro de botellas de

alrededor de 25 veces su volumen por cada atmósfera. De manera que si comprimimos la solución a 12 atmósferas, la cantidad disuelta será de· 25 X 12 = 300 veces su volumen . Aun cuando el acetileno disuelto en esta forma ya no es explosivo, para mayor seguridad se llenan las botellas con un material poroso, de manera que los efectos de la descomposición del gas quedaríaJ'l. co1tfinados en pequeños volúmenes; generalmente el material poroso ocupa 1 / 5 de la botella, y la acetona pura 2 1~· Las 6 ma a 15 kg/cm2 • La acetona puede disolverlo en c!intidades de botellas no deben exponerse al calor ni a los choques (la acetona hierve a 56,3°C}. ~

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(asp:rado )

Frc. 71.

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Frc. 72.

Para producir la mezcla de los dos gases y su combustión se emplea el soplete; si se trabaja con el generador de baja presión el soplete es con inyector (figura 71); allí el oxígeno, que entra a mayor presión, aspira al acetileno. Si se utiliza acetileno en botellas se emplea soplete de mezcla sin inyector (fig. 72). · Las boquillas de los sopletes son intercambiables, y su orificio se elige de acuerdo al espesor a soldar. Para el corte del acero se usan sopletes especiales que t ienen salida de oxígeno en el centro, rodeada de una salida de mezcla, o bien una salida al lado de la otra. Esto es así porque para cortar se procede primero calentando el acero, y luego el oxígeno es el que corta por oxidación del hierro y la elevación de temperatura que se produce como consecuencia de esta oxidación. Se usa a cetileno y oxígeno, y también, hidrógeno, gas natural y propano. Para el corte bajo el agua se inyecta aire comprimido para desalojar el agua. ·

90

Puede trabajarse a baja, media o alta presión; para baja presión, a .~00 mm de columna de agua; a media presión, desde 300 hasta 2.000 mm de columna de agua, y a alta presión desde 2.000 hasta 15.000 mm de columna de agua. En los sopletes de media y alta presión los dos gases llegan a igual presión. Para soldar pequeños espesores de chapa se trabaja con el equipo de baja presión. En la:;; figuras 73 y 74 se observan los equipos de baja y de alta presión , respectivamente.

FrG. 73.

FIG. 74.

P odemos resumir el equipo necesario para soldar: 1° A baja presión: - Generador de acetileno con su válvula hidráulica de seguridad. -Botella de oxígeno con su llave y manómetro reductor de presión (manómetro expansor). - Dos mangueras de caucho especiales para oxígeno y acetileno. -Un par de gafas azules para soldador. -El soplete para baja presión. 2° Equipo para soldar a alta presión: -Botella de acetileno disuelto con su llave y manómetro reductor de presión (expansor). 91

-

-Botella de oxígeno con llave y reductor. -Un par de gafas verdes para soldador (o azules, según luminosidad de llama) . -Soplete para alta presión. Forma de la llama El propósito de la llama es producir calor concentrado. Para usar el soplete primero se procede dejando salir el acetileno cuya presión debe ser suficiente para separar a la llama de la boquilla (el acetileno quema con el aire) una vez encendido, y luego se deja salir el oxígeno abriendo su válvula progresivamente hasta que se forma un dardo pequeño de color verde blanco de contorno limpio y cuya base toca el orificio de salida; la longitud del dardo es de 6 a 12 mm, y se encuentra rodeado de una llama secundaria transparente o penacho. Según que se dé un exceso de acetileno o de oxígeno, la llama será más larga o más corta, carburizante. neutra u oxidante (fig. 75). Las llamas 2, 3 y 4 son de importancia para soldar; la llama neutra se usa para metal librE: ele óxido. pero cuando éste existe

1 Llama de acetileno 2 (' ,.r·burizante para sold. de metal rnonel. ni· q uel y materia.l~s no ferrosos y para endurec·:miento superfi cial d"! a ce ros.

:-..-eutra para :
.!

Oxidante para soldadura por fusión de latón y bronce

FIG. 75.

es necesario un pequeño exceso de acetileno para su reducción, y ésta es prácticamente Ia Llama conveniente para toda soldadura, o sea con un pequeño exceso de acetileno. ~; Hl •

L' 2 ~ 2 CO • H 2 ----- .

- --

FrG. 76.

La figura 76 ilustra sobre las reacciones que tienen lugar en ia llama. La zona de combustión es la más caliente y es la que debe aplicarse en la pieza a soldar. Soldadura aluminotérmica Se usa mucho para soldar rieles. Se funda en la reacción del óxido de hierro con polvo de aluminio, mezcla llamada termita: 3Fea0~ + 8A1 = 4Ab0 3 + 9Fe, reacción muy exotérmica que se dessarrolla produciendo gran elevación de temperatura y dejando el metal en libertad, el que luego corre hacia un molde previamente preparado donde se encuentran las partes a soldar (fig. 77). La reacción se produce a temperatura superior a 1200°C y para iniciarla se usa una bola a base de peróxido de bario con polvo de magnesio, desarrollándose en solo 30 segundos hasta una ~emperatura de 2400°C. Por este método también pueden soldarse grandes ejes y c tgüeñales.

canal dt2 venf1loción (se U12no Último) - - - t -.....-irl

.. . FIG.

77.

Soldadura eléctrica

Podemos considerar los siguientes tipos:

Soldadura eléctrica

~

A arco

l

A resistencia

i

Arco metálico Con hidrógeno (arcatómico) Con gas protector A arco sumergido

[ A tope Por puntos Por costura

i

La soldadura a arco aprovecha el calor del arco eléctrico que salta entre la pieza a soldar y una varilla de metal que se llama electrodo. Equipos utilizados

La soldadura puede hacerse con corriente continua o con corriente alternada; se prefiere la corriente continua porque produce un arco más estable y en consecuencia soldaduras de mejor calidad. A tal efecto los equipos comunes consisten en un grupo motor generador: el motor es alimentado por la corriente alterna de la red y acciona un generador de corriente continua directamente acoplado sobre su eje; ~ste generador es de construcción especial para soportar Jos frecuentes cortocircuitos que produce el o de electrodo y pieza, y además proveer siempre la tensión necesaria para hacer saltar el arco (se aplican la dínamo de excitación independiente, que es la que representamos en la figura 78, la compund diferencial o la tipo Rosenberg) . Moderna-

Frc. 78.

~ 94

/

\1 FIG.

79.

mente estos equipos están siendo sustituidos por rectificadores estáticos a silicio (fig. 79). Los aparatos para soldar con corriente alterna son simples transformadores con regulación nor \"arias tomas o por reluctancia variable (fig. 80).

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1 1 1 1 ¡ 1

- - tronsrormodor con varios tomas

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~------'~ ~/-----~ FIG. 80.

Para la soldadura eléct rica con hidrógeno se hace saltar el arco entre un par de elect rodos de tungsteno recubiertos con una vaina que permite la circulación de hidrógeno proveniente de una botella: el hidrógeno molecular (H2) al salir y a la temperatura del arco se descompone en hidrógeno atómico (H) absorbiendo calor, y luego al seguir su camino y ponerse en o con el material. más frío, se vuelve a transformar en molecular, reintegrando allí el calor y sumándolo al calor producido por el arco;

95

además el hidrógeno protege al material de la oxidación (fig. 81). Este procedimiento se usa para soldar chapas delgadas, aceros aleados y también metales no férreos. ·- --· !- ·f ;.:.=-·__:~

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Fra. 81.

Soldadura eléctrica con gas protector: A fin de evitar la formación de óxido durante la soldadura, se inyecta un gas inerte capaz de desalojar al oxígeno; se usan a este fin el helio, el argón, el anhídrido carbónico. E\ argón es más limpio y protector y produce arco más tranquilo; el helio puede ser usado con grandes voltajes de arco; mezclas de argón e hidrógeno producen alta velocidad de soldadura; el CO~ se usa para soldadura automática de aceros comunes al carbino pues es más barato; este gas en la zona del arco se descompone en CO + lj2 0 2 y luego en la soldadura se recombina a CO!! aportando más calor, análogamente a lo que ocurre en la soldadura con H~. La penetración y caracteristicas del cordón son dif:;tintas según puede observarse en los siguientes esquemas:

Cuando se usa un electrodo no consumible de tungsteno y gas protector inerte se suele denominar el procedimiento como TIG (del inglés: Tungsten Inert Gas); cuando en cambio el electrodo es consumible, como metal de aporte en soldadura automática, pudiendo provenir de un carretel, y emplear gas inerte argón o helio, se designa como MIG (Metal Inert Gas); si el gas es H 2 o C0 2 , gases activos, se llama MAG (Metal Active Gas). Otros sistemas en vez de emplear gas protector usan metal consumible en forma de alambre hueco relleno de fundente. En página 162 agregamos esquemas que ayudan a la comprensión de los distintos sistemas. Cuando se inyecta argón a presión sobre el arco (se dice arco constreñido) se obtienen elevadísimas temperaturas, hasta 30.000°C; es el llamado arco de plasma:

96

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Tiene aplicación para corte de piezas de gran espesor y para soldadura del aluminio; en este último caso una semionda de la corriente alterna tiene efecto eliminador del óxido, y la otra semionda produce la soldadura. La soldadura por arco sumergido se hace con un alambre como material de aporte que pasa en forma continua y al mismo tiempo se alimenta escoria o flujo en polvo, y co2 que lo impulsa ; de esta manera queda preservada la soldadura de la oxidación. Material de aporte (electrodos)

En la soldadura por arco dijimos que éste salta entre la pieza a soldar y el electrodo, el que al mismo tiempo se funde aportando el material necesano. · Los electrodos pueden ser desnudos o revestidos; los desnurlos se usan en muy contados casos de soldaduras sin importancia, ya que puede resultar porosa por absorción de gases y formación de óxidos, y por consiguiente de baja resistencia. También son desnudos los electrodos de fundición y para metales no férreos. Muy usados son los electrodos revestidos, constituidos por un alma metálica y un revestimiento; éste tiene por misión estabilizar el arco, fundirse y formar sobre el metal líquido una escoria protectora produciendo reacciones de desoxidación, aporte de elementos químicos, etc. (fig. 82). revtZstimi~Znto

1

•

alma

/

1

)

,

1 4 - - - - - 450mm. Fic. 82.

97

Los revestimientos pueden clasificarse de la siguiente forma : Revestimientos constituidos por óxidos de hierro, sílice y silicatos naturales como el caolín, talco, etc. El Mn y el Si del acero se desplazan hacia la escoria. Son electrodos de bajas características mecánicas. Revestimientos ácidos (desoxidantes), similares a los anteriores pero con agregado de productos desoxidantes y desnitrurantes como el ferromanganeso, ferrosilicio, ferrotitanio. Facilita la soldadura en todas las posiciones (horizontal, vertical, sobre cabeza). Revestimientos celulósicos (orgánicos), constituidos por celulosa de madera o de algodón. Producen una atmósfera de hidrógeno que rodea al metal fundido y en consecuencia un gran aporte calórico que eleva la temperatura en la zona de soldadura. Por esto se aplican cuando se pretende lograr una buena penetración de la soldadura. Revestimientos básicos, formados por carbonato cálcico y magnésico y productos desoxidantes en forma de ferroaleaciones. Son los electrodos llamados de bajo hidrógeno de gran importancia industrial, aplicado a soldaduras de piezas de gran responsabilidad (puentes, calderas, etc.). Soldadura a resistencia

F' A tope: se colocan las dos piezas a soldar, por ejemplo dos caños o dos perfiles, con sus extremos a tope y se mantienen en esa posición por dos mordazas que a la vez conducen la corriente; se produce la soldadura por efecto Joule en la zona de mayor resistencia o sea en el o; una de las mordazas se presiona (fig. 83)

Frc. 83.

Frc. 84.

Cuando la aplicación de las piezas no es continua sino que se separa a intervalos, se produce chisporroteo, y en este caso se llama soldadura a tope por chispas (fig. 84).

29 Por puntos: se aplica a chapas por ejemplo; éstas se aprietan entre un electrodo y un contra electrodo refrigerados por agua, produciéndose la soldadura en el punto de apriete (fig. 85).

98

31? Por costura: cuando deben hacerse muchos puntos de sol-. dadura ésta se llama por costura y aquí los electrodos son reemplazados por rodillos, los que además sirven para hacer avanzar las chapas (fig. 86). Hay una determinada posición del rodillo donde se produce el o eléctrico y por consiguiente la soldadura; esto exige dispositivos electrónicos de control.

:J E_ ~ §-- ( FIG. 85.

Frc. 86.

Soldadura de los aceros . La soldabilidad depende del porcentaje de carbono; si tienen mas del 0,6 % no son soldables; si tienen entre 0,3 y 0,6% son medianamente soldables; con menos de 0,3% tienen buena soldabilidad. En los aceros con más de 0,2 % de carbono la soldabilidad es mayor por el proceso al arco eléctrico que por el oxiacetilénico. Soldadura del cobre y sus aleaciones · ; En el cobre, bronces y latones hay mayor dificultad porque estos metales son muy buenos ·conductores del calor. Se sueldan con soldaduras blandas, fuertes y por fusión con gas. Para soldar eléctricamente se usa el arco con electrodos de cobre fosforoso o bronce fosforoso según el caso. Soldadura del aluminio Se suelda satisfactoriamente con el oxiacetilénico y varilla de aluminio usando fundentes especiales a base de fluoruro de calcio, cloruro de litio y cloruro de sodio. Modernamente se suelda al arco eléctrico con corriente alternada con electrodos de tungsteno y argón a presión (arco de plasma) sin fundente. Caños de acero con costura Se fabrican por laminación y soldado posterior. Se parte de un fleje o planchuela que se elije de acuerdo a las dimensiones

99

finales del tubo; se hace pasar el fleje sucesivamente por las siguientes operaciones: calentamiento en el horno, pasaje por una bocina que dobla y da forma al tubo, o bien dos cilindros que doblan y comprimen los bordes calientes; la soldadura final se hace por soplete oxiacetilénico o por resistencia e léctrica (fig. 87) . Los tubos así fabricados se emplean para conducción de fluidos, agua, gas, etc., para presiones no superiores a 10 atmósfera.;

Fic. 87.

Caños sin costura Se fabrican partiendo de un lingote de acero extradulce qu~ se perfora y estira por el p r ocedimiento Mannesmann; también se hacen de aceros aleados. Las operaciones sucesivas son: 19 Calentamiento de los lingotes, que se han fundido casi cilíndricos, en horno aproximadamente a 1.200°C. 29 Colocación en prensa horizontal y perforación con punzón,

sin llegar al fondo, formando un "vaso". 39 Perforación del fondo del vaso y estiramiento: hay dos r·o-

dillos troncocónicos divergentes cuyos ejes forman un ángulo, lo que hace avanzar el vaso contra el punzón y al mismo tiempo produce un estirado (fig. 88). Este es el clá· sico procedimiento Mannesmann. PIKlzon

Frc. 88.

49 Los tubos obtenidos en la etapa anterior pasan a los lami-

nadores llamados paso de peregrino, donde se verifica un movimiento de vaivén producido por dos cilindros ranurados (fig. 89). Cuando los cilindros están en posición tal que sus ranuras dejan el espacio máximo (fig. 89 b), un

100

martinete neumático horizontal empuja al tubo haciéndolo retroceder; cuando los cilindros giran nuevamente, agarran al tubo y lo aplastan contra el mandril de acero colocado adentro, de manera que el tubo resulta calibrado. El movimiento entonces es de vaivén como dijimos, con mayor a\·ance que ret roceso.

o o

b

mandril

-

a

f'IG.

89.

Estos tubos se destinan para conducir fluidos a alta presión y se emplean en industrias del petróleo, térmicas, y para calderas de vapor. Para usos especiales con a lto nivel de calidad, como los destinados a calderas de alta presión, armas de fuego, etc., los tubos anteriores se terminan con un trefilado en frío, con lo cual se mejoran las propiedades mecánicas del tubo, y se ajustan las medidas a tolerancias estrechas.

mandril

\ mordaza

FIG. 90.

lQl

La operacwn consiste en hacer pasar el tubo a través de una matriz o trefila, traccionándolo mediante una mordaza, y colocando en su interior un mandril. Trefila y mandril son de acero especial y de forma y dimensiones variadas (fig. 90). Aquí podemos recordar que la fabricación de alambres se hace también por el procedimiento de trefilado, haciendo pasar por las trefilas, barras macizas (alambrones) que se estiran por etatrllfilo

F'IG. 91.

pas hasta la sección deseada. En vez de mordazas se usan poleas ó .c.a,rreteles motorizados donde se enrolla el alambre y al mismo

tiempo se tira produciendo la tracción necesaria para el estirado (fig. 91).

102

VIII Cobre· Aluminio- Zinc y aleaciones Cobre

Es un metal de gran plasticidad y tenacidad; d=8,9; p. de fusión=l0830C. Industrialmente sigue en importancia al hierro. Como metal puro se usa por su gran conductibilidad eléctrica (cobre electrolítico) para conductores, y térmica en tubos y chapas; forma un gran número de aleaciones empleadas por su resistencia a la corrosión o por ser antifricciones (para cojinetes). Todas las aleaciones de cobre se fabrican por fusión en hornos de llama directa o mejor a crisol, recubriéndolas con un fundente apropiado. Para obtener productos de mejor calidad se utiliza el horno a inducción de baja frecuencia. L atones Son aleaciones de cobre y zinc, pudiendo tener pequeños porcentajes de plomo y estaño (el plomo facilita el mecanizado y e.i estaño mejora su resistencia). Son los llamados latones comunes de extensa aplicación. Si contienen además algún elemento especial (hierro, aluminio o manganeso) , se tienen los latones aleados. Los latones se usan para laminar barras, tubos, chapas, alambres, y de las barras se fabrican tornillos, tuercas, etc., o bien se fabrican piezas v arias directamente de fundición. Dos tipos de latones comunes muy usados son los siguientes: Latón 70-30 (70 % de cobre y 30 % de zinc) apto para fundir y laminar alambres, chapas, perfiles. Resistencia 30 kg/mm2 ; dureza Brinell 60. Latón 60-40 (60% de cobre y 40 % de zinc), apto para fundir, especialmente a presión, diversas piezas, y forjar barras, tubos, perfiles. Resistencia 50 kg/mm2 ; dureza Brinnell 100.

103

Broncea Son aleaciones formadas fundamentalmente por cobre y estaño, pudiendo existir también plomo en pequeña proporción para facilitar el maquinado, zinc para mejorar su colabilidad (buen llenado de los moldes) o fósforo como desoxidante. También hay bronces especiales. Aumentando el porcentaje de estaño au mentan la dureza y resistencia. Ejemplos de bronces: -

Bronces de estaño, generalmen te desoxidados con fósforo ; se emplean con el 10 % de estaño (cobre el resto) , para casquillos de cojinetes, engranajes. Con el 20 % de estaño resultan muy duros y se aplican a quicioneras, placas correderas, etc.

-

Bronces con plomo, tienen buenas propiedades antifricción y por eso se usan mucho para cojinetes; ejemplos: Cu: 86-Sn: 10-Pb: 4 !Jar a cojinetes de dínamos y m otor es eléctricos. Cu: 80-Sn: 8-Pb: 12 para cojinetes d e gran presión superficial como los de laminadores y locomotoras. Cu: 85-Sn: 5-Pb: 5-Zn: 5; para rios y piezas de maquinarias en general, robinetería. También para cojinetes.

-

Bronces con níquel (2 % ) ; se evita la separación del plomo (que tiene una alta densidad) durante la fundición, y aumentan las resistencias mecánica y a la corrosión.

-

Bronces al aluminio; son aleacion es binarias de cobre con 5-10% de aluminio de mucho empleo industrial para fa bricar bulones, engranajes y cojinetes para carga elev ada y alta temperat ura; pueden ser templados y revenidos.

-

Bronces al berilio, con aproximadamente el 2 % de este elemento; tienen buena resistencia mecánica, mejorable por tratamiento térmico. Se emplean para fabricar herramientas antichispas, resortes.

Aluminio Densidad=2,68; p. de fusíón=650°C. En estado puro es un metal resistente a la corrosión, muy plástico y buen conductor de la electricidad. Se emplea para fabricar menaje, conductores

104

eléctricos y papeles para protección contra la humedad. Resistencia a la tracción en estado laminado y recocido: 9 kg/mm2 ; dureza Brinell 20. Aleaciones livianas Se llama así a las aleaciones de aluminio por su baja densidad; es una industria de gran desarrollo en la actualidad por sus extensas aplicaciones en la construcción. Estas aleaciones se fabrican por fusión en hornos de crisol o, preferentemente, en hornos especiales a inducción de baja frecuencia. Pueden laminarse. Ejemplos de aleaciones de aluminio: -

Aleaciones con hasta 12 % de cobre para pistones;

-

Aleaciones con 10-13 % de silicio para fundir piezas de formas complicadas por sus buenas condiciones de colabilidad;

-

Aleaciones con magnesio (hasta un 10 %) , se obtiene gran resistencia y alargamiento y con ellas se fabrican émbolos, culatas, perfiles, etcétera.

-

Aleaciones con 2 % de manganeso para piezas laminadas y perfiles.

- Aleaciones con zinc para fundir piezas de poca importancia. Generalmente las aleaciones no llevan un solo elemento agregado sin o varios en distintas proporciones. como por ej emplo el llamado duraluminio: Cu: 4 %, Mg: 1 %, Si: 0,5 %, Mn: 1 %, Al el resto; se emplea para piezas de alta resistencia no sometidas a corrosión, partes de aviones, carters, etc.; su densidad es de 2,8 y su resistencia en estado forjado y recocido es de 20kg/mm2 ; dureza Brinell aproximada 55. Zamac

Se da este nombre a un grupo de aleaciones de zinc con aproximadamente 4 % de aluminio, pudiendo contener también 0,7 % de cobre y 0,04 % de magnesio. El zinc debe ser muy puro pues sino se producen fenómenos de corrosión. En la actualidad es muy extensa la aplicación de esta aleación para la fabricación de piezas de lavarropas y artefactos del hogar, carburadores de automóviles, etc. (no puede emplearse en piezas constitutivas de estructuras resistentes).

105

Su costo de producción es bajo y se funde por colada en caquilla de máquinas de fundir a presión, a temperaturas de alrededor 410°C. Fundición a presión

Llamado también proceso por inyeccwn; el metal en estado líquido o plástico, se fuerza a ingresar por la presión de un pistón en el molde metálico permanente o coquilla. Este proceso se aplica cuando el número de piezas requeridas es grande, más de 5.000, y si el espesor de pared de las mismas no es muy grande. Las piezas salen con un mejor terminado superficial, reproduciendo los detalles con precisión. Se funden aleaciones de aluminio, cobre, plomo, magnesio, estaño y zinc. Las coquillas deben ser correctamente diseñadas, permitiendo una fácil salida del aire, buena ubicación y dimensionamiento de la entrada de metal, etc., y para su construcción se emplean aceros comunes para las aleaciones de bajo punto de fusión (estaño o plomo) y aceros especiales para las otras. Equipos empleados

En la colada a preswn todo el manejo de la coquilla es mecanizado, es decir su colado, apertura y cierre, empleándose a tal efecto máquinas especiales que pueden ser de cuatro tipos: 19 Máquina de inyección con cámara fría (fig. 92):

FIG. 92.

Un cucharón C vierte el metal fund ido en el agujero del cilindro, y mediante el émbolo E se fuerza dentro de la coquilla Q. Una vez solidificado el metal, se abre Q y las piezas caen por acción de botadores B, quedando la coquilla lista para una nueva operación. La parte móvil A de la coquilla es accionada mecánicamente para abrir o cerrar las dos partes de la misma. Para 106

evitar que se peguen las piezas se pinta la coquilla con una pintura hecha a base de grafito en agua o aceite. Por este método se funden las aleaciones de aluminio, cobre y zinc. 29 Máquinas de cámara caliente (fig. 93) :

t~u~rnodor

Fl:G. 93.

Hay un crisol de fundición de hierro donde se funde el metal; éste entra a la cámara e por el orificio O, y luego se inyecta con el émbolo E en la coquilla. El proceso de apertura y cierre de la coquilla es similar al caso anterior. Este método se usa para aleaciones de punto de fusión bajo como las de estaño, plomo y zinc (las de aluminio atacarían el hierro del crisol y se contaminarían). 3° Máquinas de llenado con aire comprimido (fig. 94) :

La cámara C puede girar apoyándose en la buza B; en la posición más baja se llena por el orificio O, luego se levanta, y tapando O se da presión de aire por A, inyectándose así el metal en la coquilla Q. Se emplea como en el proceso anterior, pero para piezas de mayor peso. 49 Máquina tipo Polak para coladas de gran peso:

En el cilindro e, retirando previamente el pistón P, se vierte e l metal en estado de fusión incipiente y se acciona P llenando las coquillas. Luego de solidificado el metal, se retira P y se levanta el pistón inferior p retirando la torta (fig. 95). 107

FlG. 94.

e

P botador

tor1o

'"0''~FIG. 95.

Sinterizados La sinterízación es una operacwn que permite la fabricación de piezas partiendo de polvos finamente div ididos, uniéndose por la fusión parcial de uno de sus componentes. En metalurgia se comprimen polvos metálicos para darles la forma deseada y después se sinterizan en el horno. Así se fabri108

can: cojinetes de bronce (cobre y estaño) que se hacen porosos para que retengan el lubricante, o con el agregado de polvo de grafito para hacerlos autolubricantes; filtros de bronce con diversos tamaños de poros (según el tamaño de los polvos metálicos empleados) para combustibles; materiales de carburo de tungsteno para fabricación de herramientas de corte ("widia") ; pequeñas piezas de máquinas, engranajes de bronce y de hierro, etcétera. Los polvos metálicos usados se obtienen industrialmente por diversos métodos como la electrólisis, pulverización mecánica, procedimientos químicos, etc. Esta operación de sinterización es sólo un procedimiento dentro de una técnica metalúrgica más amplia que se ocupa en iorma integral de todo lo referente a los polvos metálicos y que recibe el nombre de pulvimetalurgia.

Extrusi6n Es el procedimiento empleado para la producción continua de cuerpos perfilados o sea de sección transversal uniforme, lo que se hace forzando el material que se encuentra suficientemente plástico comúnmente por calentamiento adecuado, a pasar por un orificio de forma conveniente. Este método se aplica a metales blandos como el plomo, estaño, cobre, latón, aluminio y diversas aleaciones, así como a otros materiales no metálicos como el caucho y plásticos.

Caños de cobre, bronce y aluminio Se fabrican en máquinas de extrusión, las cuales son simples prensas hidráulicas generalmente horizontales, que trabajan a J=resiones entre 210 y 350 kg/cm2 .

e p

coño

./

=--=---= E

·. FIG.

. ·..

96.

Fundamentalmente constan de un cilindro C (fig. 96), pre''lamente calentado. dentro del cual se coloca un tocho de metal que también ha sido calentado hasta una temperatura próxima a ~u punto de fusión. Este material es comprimido con el émbolo principal E hasta llenar el recipiente. y luego se hace a\·anzar el 109

embolo perforador P hasta que sobresalga de la matriz M, donde permanece hasta el fin del proceso, o sea hasta que el émbolo E hizo pasar todo el material contenido en el cilindro C a través de la matriz. Luego se retiran los émbolos y se hace una nueva carga. Los tubos de cobre, latón, bronce y aluminio se emplean en construcciones de máquinas en general. En especial se· usan los· de latón y bronce para tubos de condensadores e instalaciones sanitarias.

110

IX Plásticos - Caucho - Maderas: Plásticos Han logrado un enorme desarrollo y son unos de los materiales más difundidos en el hogar y en la industria. Han reemplazado a algunos metales en sus aplicaciones menores, pero donde se necesita la resistencia del acero no pueden emplearse. Distinguiremos tres tipos principales de plásticos: los que se obtienen de la celulosa, los que se obtienen de ciertas proteínas, como la caseína y la soja, y otros plásticos de productos artificiales o resinas sintéticas. En todo material plástico existe una parte plástica propiamente dicha que hace de aglutinante y materiales de relleno minerales (amianto) u orgánicos (aserrín) que le dan dureza y otras características. Los plásticos de celulosa son el nitrato de celulosa y el acetato de celulosa que resultan de disolver la celulosa en ácidos nítrico o acético, respectivamente. El celuloide es nitrato de celulosa y se emplea para fabricar h ojas, varillas y tubos, muñecas, peines, armazones de anteojos, películas fotográficas, etcétera. El acetato de celulosa tiene aplicaciones similares pero tiene mayor transparencia y resistencia a la luz. Se hacen de este material fibras por extrusión, conocidas con el nombre de rayón, telas para vestidos y para neumáticos ; perillas de radio y de comando. Se hacen también hojas que se emplean para la fabricación de vidrios de seguridad, prensando y calentando dos vidrios con una hoja de plástico interpuesta. Tiene muy buenas cualidades como aislador. El celofán es acetato y xantato de celulosa y se emplea para envolver alimentos. Plásticos de proteínas: el más conocido es el llamado galalit, que se hace de caseína de la leche para fabricar botones y artículos varios de hermosos colores. Modernamente toman importancia los plásticos sintéticos de soja para fines similares y como adhesivos.

111

Resinas sintéticas: resinas a base de fenal y de formaldehído conocidas con el nombre de bakelita. Se emplea para moldeo de ~~~ículos eléctricos, tapas de distribuidor, manijas, etcétera; tarobien .~omo cementante de hojas de madera terciada para construcciOn de enchapados para muebles, puertas, etcétera, y para laminados (fórmica); para fabricar artículos colados y también disuelto_s como barniz. Se hacen cojinetes y engranajes silenciosos partiendo de moldeados y laminados. Por ser rígida, la bakelita no .PUede emplearse para revestir cables. Resinas urea-formaldehído similares a las anteriores, pero se obtienen en colores más variados y vistosos para gabinetes de radio y otros artículos. Resinas fenol-furfural para compuestos moldeables y como barnices, disueltos en solventes apropiados. Resinas vinilo, el conocido PVC (policloruro de vinilo) se prepara partiendo del acetileno y del ácido clorhídrico; se utiliza para fabricación del polvos de moldeo y obtención de hojas y fibras textiles, varilllas, tubos, películas para embalajes, discos, aislación de conductores, etc. Resinas acrílicas, ejemplo. el metacrilato de metilo, que se obtienen partiendo del eteno, derivado del petróleo; los productos se conocen como Plexiglas, Lucite, etcétera, y se fabrican varillas y hojas de hermosos colores. Su uso más importante es en sustitución del vidrio en ventanillas de avión. Resinas poliestireno, tienen muy buenas propiedades dieléctr icas por lo cual se usan en radio y televisión. Poliamidas (nylon), se hace de carbón, aire y agua; se fabrican fibras de gran resistencia para cepillos, usos médicos, etc. Muy importante en la actualidad es su uso para hacer engranajes y cojinetes en reemplazo de bronces y metales blancos, donde la temperatura no sobrepase los 80° C pues es termoplástico. Son silenciosos y duran hasta 10 veces más. Se fabrica bajo el nombre de ' Grilon" en barras, planchas y tubos con o sin agregado de grafito y/o bisulfuro de molibdeno (S2 Mo) para mejorar propiedades autolubricantes. Polietileno: se obtiene comorimiendo el eteno o etileno (monómero) a presiones de 500-3.000 atm. obteniéndose el polietileno (polímero). Tiene muy buenas propiedades como aislante eléct~ico y con él se fabrican láminas para envoltorios, tubos y objetos en genera1 flexibles. Moldeo de plásticos

Hay dos tipos fundamentales de plásticos de acuerdo con su comportamiento frente al calor: - Los termoplásticos son aquellos que se ablandan por el calor cada vez que éste se aplica y que se endurecen-cuando se en-

112

mol
FIG.

97.

frían; pertenecen a este grupo el nitrato y acetato de celulosa, los polivinilos, el metacrilato de metilo y los poliamidos. -Los termoestables que fraguan por el calor y que no se reblandecen más por nuevos calentamientos; pertenecen a este grupo el fenol-formaldehído (bakelita) y urea-for~ maldehído. Los métodos de moldeo de los plásticos difieren según las características señaladas y se efectúa según tres sistemas: por prensado, por inyección y por extrusión. · El prensado se hace en prensas hidráulicas (fig. 97) ; en la

polvo cámara prctcalctntada ~....._¡-M"""- o prqformo

prctnsa

FIG. 98.

113

::r.:'..é.d .::.:mor del molde M se pone una cantidad pesada de polvo :ie I:l:CJ.deo y se acciona la prensa: las dos mitades del molde, pre·ia.mente calentadas con vapor o eléctricamente, comprimen el polvo, el que se ablanda y fluye tomando la forma del molde. Si se moldean termoplásticos debe enfriarse el molde, haciendo circular agua por los conductos e, para poder extraer la pieza, pero este método más se emplea para termoestables. En vez de poner directamente el polvo en el molde se puede usar previamente una tableteadora automática que hace pastillas con la cantidad de polvo exacta necesaria, evitando así el pesado o medida. Cuando se prensan artículos con inserciones o cuando los moldes llevan machos, la presión podría sacarlos de lugar, por lo cual se prefiere el llamado moldeo por transferencia, que intr~du ce el plástico ya ablandado en una cámara situada encima del molde, comprimiéndolo con un émboló (fig. 98).

Mol.deo por inyección.- Se aplica a los termoplásticos (fig. 99). Por la tolva se carga el material cada vez que el émbolo retrocede; cada embolada llena el molde, que puede tener una o más

FIG.

99.

formas; los desperdicios pueden volverse a cargar si se trata de termoplásticos. El torpedo que se observa en la figur a hace que E'l plástico se pegue a las paredes para su calentamiento. P or este procedimiento se fabrican formas diversas. Moldeo por extrttsión. - También se aplica a termoplásticos para la producción de artículos en forma continua. como ser m~n gueras para riego, barras. cintas. perfiles. etcétera (fig. 100).

Fm. 100.

11:4

El material se carga por la tolva y va avanzando llevado por el cilindro extruidor para hacerlo pasar por la matriz. El cilindro de la máquina lleva conductos para regular el calentamiento por agua o aceite caliente, o enfriar. Otros tipos de moldeo. -Para hacer láminas o planchas 8e procede con el calandrado; la máquina consta de tres c;ílindros (fig. 101); el material en gránulos pasa por entre los dos superiores calentados, que le dan la forma y espesor deseado; por este método también pueden aplicarse los plásticos sobre telas haciendo pasar éstas entre los dos cilindros inferiores;

cilindros caliqnt

t~ia

Frc. 101

el procedimiento de vaciado del material liquido en un molde donde se solidifica para obtener piezas de formas diversas; el estampado de hojas y láminas obtenidas por cualquiera de los procedimientos anteriores, se hace colocando la chapa o lámina entre dos moldes calentados que le dan la forma, etcétera. Caucho natural Se obtiene por coagulación con ácidos del látex, que es un líquido lechoso extraído del árbol Hevea Brasiliensis. El producto así obtenido es blando y flexible pero puede endurecerse en distinto grado por agregado de azufre en diferentes proporciones y calentando a 140° e, operación que se llama vulcanización, descubierta por Charles Goodyear en 1839. Con hasta el 5 % de azufre sigue siendo elástico y con el 40 % se obtiene un producto duro conocido con el nombre de ebonita. Con el caucho se fabrican los más variados artículos imprescindibles en la vida moderna: neumáticos para automóviles, calzado, mangueras, correas, pelotas, guantes, aislaci'Ón para cables, e tcétera. Caucho sintético

Fue obtenido en Alemania durante la guerra de 1914 por las dificultades de importación de látex. Se obtenía por polimerizall5

ción del hidrocarburo butandieno y sodio como catalizador y de allí el nombre de caucho Buna que se le dio. Se obtiene un látex artificial que se trata como el natural para. la obtención del caucho. Las materias primas para la obtención del butandieno pueden ser, industrialmente, el alcohol etílico, el gas natural, el petróleo y el acetileno. El caucho sintético tiene en general propiedades elásticas y mecánicas inferiores al natural, pero supera a éste en lo que se refiere a la resistencia al deterioro, a los agentes oxidantes, a la luz, nafta, aceites, etcétera, lo que permite su empleo donde n o puede ser utilizado el natural. En Estados Unidos se fabrican otros productos de mejores propiedades mecánicas y resistencia a los aceites y otros productos químicos, conocidos con los nombres de Neoprene, Butyl, Thiokol, Keroseal. Se emplean para mangueras de petróleo, discos para válvulas, correas transportadoras para materiales corrosivos, etcétera.

Maderas usadas en la industria La madera es un material de construcción ampliamente empleado; estructuralmente está compuesta de un esqueleto de fibras resistentes cristalinas de celulosa, un aglomerante amorfo, la lignina, y agua; además algunas variedades tienen resinas y terpenos, y otras, materias curtientes. Se encuentra en el comercio como madera sin trabajar (troncos o rollos) o como madera de construcción cuando a la anterior se le ha dado un trabajado y en este estado puede encontrarse como madera escuadrada, tablas, tablones, postes, listones, etcétera . Su precio se d etermina por m 3 efectivo, o sea por m 3 de masa de madera y a veces por m 3 de volumen apar ente, es decir, por rn11 de la madera apilada, incluidos los espacios intermedios; por ejemplo 1 m 3 de leña (1 estéreo) equivale aproximadamente a 0,7 m 3 efectivos. En la madera aser rada, tablas y tablon es de igual espesor, se mide por mz, y en la m ader a escuadrada (de igual ancho y espesor), por metro lineal. Suelen emplearse las m edidas extranjeras pie cúbico, pie cuadrado y pie para las maderas de esta procedencia, pero lo correcto en nuestro país es emplear el metro y sus unidades derivadas. Para caracterizar las distintas especies de madera, cada una de las cuales tiene separación de fibras y poder de absorción distintos, es necesario determinar su peso especüico: -El peso específico real, es la relación exist ente ent r e el peso de una muestra de madera y el peso de un volumen igual de agua a 4°C; se determina por el picnómetro, empleando aserrín muy fino previamente secado a 1001050C. o bien debe aclar a1·se el contenido de humedad de 116

la muestra pues influye en los resultados, expresándose como verde, recién cortada, seca al aire (con aprox. 15 'Yo de humedad) y secada en estufa; su valor es de aproximadamente 1,5 kjdm 3 • - El peso específiCo aparente se determina haciendo un · cubo de la madera y determinando su relación de peso a volumen. Es el que más interesa y según sea éste, las maderas secadas al aire se clasifican en: muy livianas, hasta 0,350 k/ dm3 , livianas de 0,35 a 0,55 kjdm3 , semipesad.as de 0,55 a 0,7, y pesadas más de 0,7 kjdm". La relación de los pesos específicos aparente y real se llama grado de compacidad, pudiendo deducirse el porcentaje de poros. La humedad se determina en estufa, secando a 105°C un trozo de madera de peso conocido. Se expresa en porcentaje sobre peso total, o sobre peso seco mediante la fórmula peso húmedo

+ peso seco

100 peso seco Cuando disminuye el contenido de humedad por secado de la madera se producen contracciones o sean disminuciones en las medidas, que pueden llegar hasta un 15 'Jo . En general la madera es mala conductora del calor y de la electricidad debido al aire que contiene, pero a medida que aumenta la humedad se hace más conductora. Para que una madera pueda ser utilizada en la fabricación de instrumentos musicales, debe ser liviana, elástica, y estar libre de defectos. Propiedades opuestas la hacen adecuada para pisos y parquets. En cuanto al aspecto de la madera, intervienen el color, veteado, brillo, textura y grano, para conferirle valor ornamental. Hay sustancias en las maderas, como las resinas y acei~ esenciales, que le confieren a algunas, olores característicos, como el palo santo y el cedro. La dureza puede evaluarse numéricamente en unidades Brinell, pero generalmente se estima en blando o duro, muy blando, medianamente duro, etcétera, y también interesan las características de resistencia a la tracción, compresión y elasticidad. La resistencia de la madera es distinta según la dirección en que se considere; variará según se aplique la carga en forma longitudinal o perpendicularmente a sus fibras; es de constitución heterogénea y por consiguiente se explican sus propiedades anisótropas, lo cual debe tenerse en cuenta para la construcción. Los materiales metálicos, en cambio, se comportan como isótropos (iguales propiedades en todas las direcciones), aun cuando se encuentran formados por cristales (granos metálicos, ver apéndice pág. 129), cada uno de los cuales es anisótropo, pero por su distinta orientación, el metal r esuHa técnicamente isótropo. (Aquí debe----------------------- X

117

mos aclarar que en el caso de las chapas de acero laminadas la resistencia puede variar según el sentido en que se corte la probeta de la misma, transversal o longitudinal, pero esto no se debe al metal sino a la distribución de impurezas que da origen a "fibras" según vimos en la pág. 74) . . La isotropía es característica de los materiales amorfos como el · vidrio, y la anisotropía de los cristalinos, como el cuarzo: si construimos dos esferas con cada uno de estos dos materiales y las calentamos, podremos comprobar que la de vidrio se dilata conservando su forma esférica, por su igual transmisión del calor en cualquier dirección; en cambio, la de cuarzo se dilata más en direcciones preferenciales, y toma sección elíptica. . .. . La bondad de una madera también es apreciada por su . .trabajabilida.d, o sea la mayor o menor facilidad de trabajarse mano o a máquina para agujerearla, serrucharla o cepillar1a. Esta característica es una consecuencia de las propiedades físicas de la madera.

a

~lasificación

de las maderas

En general podemos distinguir las siguientes clases de madera: -Maderas quebradizas: son las que tienen tendencia a romperse bruscamente al someterlas a algún esfuerzo en forma transversal a las fibras sin que se produzcan astil1aduras; no son aptas para la construcción y en general se caracterizan por su peso específico muy bajo. ·· -Maderas duras: pertenecen a climas cálidos; son de color oscuro y presentan menor absorción de agua. mayor compactación de fibras , poca lignina; la resistencia es grande ya sea aplicando la carga en forma perpendicular o lon~itu dinalmente a sus fibras, acusando casi igual resistencia. -Maderas semiduras: proceden de climas templados y son de color más claro, presentando mayor absorción de agua. Sus fibras son menos compactas; acusando menor resistencia para cargas aplicadas en forma transversal a sus fibras. habiendo una sensible diferencia con la resistencia de la carga aplicada longitudinalmente. -Maderas blandas: son de clima frío, de color blanco, gran absorción de agua; poco resistentes, y a sea con carga aplicada longitudinal o transversalmente; fibras poco compactas. Principales maderas nacionales

-Algarrobo blanco: duro, DB aproximadamente 7, sirve para construcción civil y naval, carretería, parquets, leña. Hay también un algarrobo negro. 118

-Cedro miswnero: DB aproximadamente 3,3; es in~orrupti ble y se usa para fabricar muebles, vagones, carpintería naval, lápices, puertas, ventanas, etcétera. Hay una variedad de cedro salteño similar, pero de inferior calidad. -Pino de Misiones: DB aproximada 3; para muebles de mferior calidad, envases, cajones de fruta, puertas inleriores; se industrializa también para fabricar papel. -Pino de Neuquén: de similares usos que el anterior, pero de madera algo mejor. -Quebracho colorado (chaqueño y santiagueño): muy duro, DB aproximada 12, se industrializa para extracción del tanino; se fabrican durmientes de vías de ferrocarril, postes, muelles. vigas, y también se usa como combustible; es incorruptible. -Quebracho blanco (Chaco, Formosa y Santiago): DB aproximada 7 a 12; apto para hacer carbón, mazas de ruedas de carros, parquets, vari1las de alambrados. -Nogal (Tucumán y Salt.a): DB aproximada 5; para muebles, parquets, tirantes. - Roble del país (Salta y Jujuy): DB aproximada 3; para muebles de lujo; debe secarse y lustrarse bien, sino se apolilla. - Viraró (Catamarca, Tucumán, Salta, Jujuy, Misiones): DE aproximada 9; para construcciones civiles y navales, muebles finos, carretena. Además podemos citar, ceibo, horco cevil, jacarandá, lapB.cho, palo rosa, petiribí, tipa, tala, etcetera. Principales maderas extranje"ras

Las prindpales usadas en el país son: -Pino Paraná: proviene de Brasil; es similar a los pinos nacionales, pero de mejor calidad. -Pino tea : medianamente blando, muy duradero, se importa de Estados Unidos; se usa para hacer tablas machiembradas para pisos. cielo rasos y tirantería en general. -Pino Spruce: proviene de Estados Unidos, Suecia y Finlandia; es muy estable. es decir, mueve poco (conserva forma y dimensiones) con los cambios higrométricos del ambiente.

119

. -Roble norteamericano; se emplea para muebles finos, cascos para vino; es estable y fácil de trabajar. Tratamientos para su protección

Para poder usar las maderas con garantía de estabilidad y duración debe eliminarse su humedad, la que varía del 50 al lOO%. El secado puede ser natural o artificial. El secado natural se hace dejando la madera al aire libre, con lo cual pierde hasta un 20 % de su contenido de agua; es preferibl-:! hacer esta operación bajo cobertizos aireados, pudiendo durar me~ ses y hasta años, según el grosor y la forma de los pedazos. · El secado artificial es mucho más rápido y comúnmente se hace en cámaras donde se inyecta vapor, manteniendo la temperatura de 96° C o algo menos durante 100 horas; luego se deja enfriar lentamente unas 40 horas. Otros procesos inyectan aire caliente luego del vapor. Contra la destrucción posterior de la madera pueden emplearse varios métodos: -Las pinturas y barnices que impiden el del aire y ·de la humedad; es una protección menor. -En lugar de pinturas pueden emplearse agentes químicos conservadores, como el alquitrán (para postes enterrados, por ejemplo), dinitrofenol, pentaclorofenol, creosota, cloruro de zinc, sulfato de cobre. Estos agentes deben ser productos químicos venenosos para los hongos y de ser posible también para los insectos; para estos últimos el pentacloro fenoato sódico, sales bóricas, y Dieldrin. -Impregnación: es el procedimiento a vacío y presión posterior para que el agente conservador penetre profundamente en los poros : con el vacío se elimina el aire que evita la penetración del agente químico en los poros y con la presión se profundiza más esta penetración. Se hace en autoclaves (recipientes capaces de soportar presión) y los conservadores empleados son los mismos señalados en el ounto anterior. Modernamente se hace impregnación con resinas plásticas para darle, además, mayor resistencia. -A veces se exige protección contra el fuego y en tal caso debe intentarse disminuir la ínflamabilidad. evitando la propagación rápida del fueRo . Se logra por impregnación con soluciones acuosas de sales amónicas (ejemplo, sufato amónico), ácido bórico, silicato sódico, suspensiones de yeso muy fino (levigado). etcétera.

120

X Corrosión u oxidación

Se denomina así al deterioro paulatino que sufren los metales llegando a sus destrucción. Este fenómeno causa importantes pérdidas económicas, de las que puede tenerse una idea considerando que anualmente por este motivo debe reponerse el costo de un 20% en moneda, de las piezas de hierro y acero, y de ahí que este problema se haya comenzado a estudiar técnicamente tratando de disminuir estas pérdidas económicas, y así se ha llegado a la selección de t~nicas para combatirla. La destrucción de los metales por corrosión puede hacérse sólo por acción química o también combinada con acciones mecánicas. Desde el punto de vista químico, la corrosión de los metales se debe a que éstos son reductores, y entonces el proceso de corrosión resulta fundamentalmente una oxidación. La corrosión puede ocurrir en la atmósfera y con distinta intensidad, según sea ésta rural, marina o industrial; en el agua, según sea potable, de pozo o de mar; en ácidos o en álcalis; en metales enterrados, por acción de las corrientes vagabundas; puede producirse simultáneamente con fenómenos de erosión con desgaste o con tensiones que pueden acelerarla. Cuando la corrosión se localiza en uno o varios puntos, se dice ·que el metal se ha "picado". Para poder luchar contra la corrosión es necesario saber cómo se produce. Teoría de la corrosión

Dentro de las varias teorías que existen, consideraremos la teoría electroquímica, que es la más moderna y aceptada, y para explicarla tomaremos el caso· del hierro, que es el más importante. 121

Fz 1

Flc. 102

aJ .

.FIG. 102 b ).

Si tenemos una barra de hierro sumergida er. agua, éste en una primera etapa emitirá iones (fig. 102 a): !° Feo --~ Fe·· + 2 e (1) 2
H 20

H·

+ OH·

(2)

3
Fe.. +

20H-~Fe

(OH)2

que se oxida formando el óxido rojo o herrumbre: 4 Fe (OH) 2

el

co2

+ 02 -~ 2 Fe~03 + 4 H20

cataliza esta acción.

4° El H• de la ecuación (2) es atraído por la varilla de hierro que se ha cargado negativamente, como se observa en (1) y se transforma en hidrógeno gaseoso: 2 H•

+ 2 e - - - - ? Hz

Este hidrógeno gaseoso se dispone como burbujitas rodeando al hierro, aislándolo del agua, y por consiguiente para que la corrosión prosiga debe haber un factor que lo saque de allí; esto puede ocurrir por dos motivos: a) Por la presencia del oxígeno de la atmósfera que se disuelve en el agua y que se combina con el hidrógeno: 2 H.::

12!

+ Oz =

2 H20

b) Si se pone en o cun el hierro otro metal que ·esté por debajo en la escala de potenciales, por ejemplo el -co~ bre (ver tabla en la pág. 154), los electrones circularán hacia el cobre y en consecuencia el hidrógeno ya no se depositará más sobre el hierro, protegiéndolo, y la corrosión proseguirá, ya que el hierro actuará como ánodo, pues se ha formado una pHa (fig. 103) .

Cu

Frc. 103.

Es de gran importancia," por consiguiente, el reconocimiento de la existencia de una zona anódica y de una zona catódica en estos procesos; la zona o área anódica será la que se corroerá. Cualquier heterogeneidad en el metal puede dar lugar al estable'cimiento de estas dos áreas (aunque no esté presente el cobre como en el ejemplo que vimos), lo mismo que la presencia de impurezas o diferencias en la composición química, una soldadura, una porción martillada, etcétera, se convertirán en áreas anódicas, produciéndose la corrosión preferentemente en ese lugar. También cuando existe una grieta o cavidad con agua (fig. 104); fuer¡a de la grieta hay más oxige·no que adentro (lo que se dice

Z_o-r.o Co}Si.q,c_g • f"""tu:: ··c1 cxt<3e.:r.o

J3gl29UQ.

'

Zona Cotodico

..-'"f>oco:-.-Lo;....~~ -;;.;~"t¿ : ,c.os

ona Anodica Muchos ione?.S-~;;1Ó I ICos

FJG. 104.

123

aireación diferencial), de manera que ésta es otra heter ogeneidad que nos permite la formación de las dos áreas citadas, actuando la zona con menos oxígeno como ánodo y, por consiguiente, en el caso del ejemplo, la corrosión avanzará preferentemente en la superficie límite y dentro de la grieta. El picado en el hierro o corrosión localizada er: uno o varios puntos puede tener comienzo en una perforación de ia capa protectora de óxido, o por la presencia de una impureza o inclusión que funciona como cátodo con un ánodo a su alrededor; a esto pueden sumarse los efectos de aireación diferencial, aumento de la concentrJ.ción iónica en la cavidad, presencia de ciertas sales. etc. Ante esta variedad de ejemplos, podemos entonces tener una idea de que la presencia de ánodo y cátodo -constituye una condición muy general en los fenómenos de corrosión. Conocido así el proceso cabe ver cómo evitarlo.

Protección contra la oxidación En primer lugar sabemos que el hierro se corroe cuando actúa cJmo ánodo; por consiguiente hay que procurar transformarlo en cátodo poniéndolo en o con metales más electropositivos que él, es decir, que se encuentren situados por encima en la tabla de potenci~les que vimos (pág. 154), tales como el magnesio, zinc o aluminio. A esto se llama protección catódica. Es lo que se hace para proteger tubos de hierro enterrados, cascos de barcos, etcétera. poniéndolos en o con barras del metal que hará de ánodo y que será el que se corroerá en lo sucesivo; por esto se le llama ánodo de sacrificio (fig. 105).

o o

anodos
Flc. 105.

Cuando para la protección son necesarios mayores potenciales, se emplean generadores de corriente continua o rectificadores intercalados en el circuito en G. Hay sustancias que disminuyen la velocidad de corrosión, ya sea formando una película que baja el potencial del metal o lo vuelve menos activo. Tales sustancias son las llamadas inhibidoras y pasivadoras, y a tal efecto se emplean los cromatos, fosfatos y silicato:o~.

1%4

1 Los otros factores fundamentales de la corros10n que deben evitarse son la humedad y el oxígeno, y para ello se busca aislar la superficie mediante la aplicación de diversos revestimientos, como los que se producen por zincado, fosfatizado, pinturas, etcétera. La temperatura del medio y la salinidad de la humedad o del medio acuoso, son también factores decisivos: es interesante observar cómo en el lago Nahuel Huapí, la corrosión de los cucos de oarcos o de trozos de hierro sumergidos es mínima, debido a las bajas temperaturas del agua y a su bajísima salinidad, pues sabemos que toda reacción química es acelerada por el aumento de temperatura, y por otra parte que en agua destilada, carente de sales, no hay electrólisis, ya que no es conductora por no tener iones; la emisión de iones Fe .. es minima. Casos particulares de corrosión

Corrosión intergranu!ar. Como sabemos, los metales están formados· por granos y un ·:!ernento que los une que se llama el borde o límite de grano. A veces ocurre que la corrosión ataca selectivamente a los bordes, y constituyendo éstos una porción relativamente pequeña, se llega a la desintegración de los granos. Los aceros inoxidables 18-8 (ver más adelante) son susceptibles de este fenómeno y lo mismo ocurre con el níquel cuando se encuentra en atmósfera con gases sulfurosos a elevada temperatura.

Corrosión. por tensiones. !Jebe entenderse que se trata de una aceleración de la corrosión por las tensiones, lo que generalmente se presenta con líneas de fractura. Las tensiones pueden quedar como consecuencia del trabajado en frío, o severos gradientes térmicos producidos por soldaduras. Casos típicos son el llamado season cracking de los cartuchos de latón y el ataque cáustico que ocurre en las chapas de calderas remachadas, ocasionando grietas entre los agujeros de remaches. Las grietas pueden proceder en forma intergranular o transgranular. Las tensiones solas no son suficientes para causar este tipo de deterioro; deben existir simultáneamente las tensiones y el medio corrosivo. Descincificación

Ocurre en los latones (aleaciones de cobre y zinc); se verifica ataqut: del zinc dejando una masa porosa de cobre puro.

125

Grafitización del hierro fundido gris. ' Cuando el hierro se corroe, deja el grafito que luego se desintegra. Erosión-corrosión. Se presenta en dispositivos sujetos a alta velocidad, turbulencia o con sólidos en suspensión (válvulas, bombas centrífugas, agitadores, tubos intercambiadores, camisas de agua, etc.). El roce produce la destrucción de películas protectoras, de las cuales depende la resistencia a la corrosión. ~ Cavitación es un caso particular del anterior que se produce cuando hay espacios o cavidades donde se forman y estallan burbujas de vapor o de aire.

Corrosión seca. Ocurre a alta temperatura y se llama así a la reacción química de un metal o aleación con el oxígeno, azufre, nitrógeno o algún halógeno. Generalmente, sin embargo, intervienen un metal _o aleación y el oxígeno; se forma una capa de óxido cuyo espesor dependerá de la presión del oxígeno y especialmente de la temperatura. El conocimiento de este fenómeno puede tener importancia en algunos casos' como cuando se trata de seleccionar una aleación para contaétos eléctricos, ya que la formación de óxidos alteraría las propiedades de conducción de la corriente. Aceros resistentes a la corrosión Corrientemente llamados inoxidabLes porque no presentan formaciones de óxidos cuando están expuestos a la atmósfera normal. En realidad serán inoxidables sólo bajo determinadas características del medio en que actúan. · Teniendo en cuenta su estructura metalográfica y su resistencia a los agentes agresivos, podemos considerar seis grupos ordenados en orden creciente de resistencia. I. -:- Resistentes al agua dulce. Si un metal es homogéneo o químicamente puro, no presentando heterogeneidades, según vimos en la teoría electroquímica de la corrosión, no se establece el par galvánico y la corrosión es muy lenta. A este principio obedece el hierro Armco fabricado en los Estados Unidos, cuyo contenido total de elementos extraños es inferior al 0,1 %. Su estructura es totalmente de ferrita (ver ferrita y otras estructuras en apéndice). II. - Reststentes al agtuJ. de mar. Son considerados semi inoxidables; tienen una estructura cristalina muy homogénea (ferrita). Su contenido en carbono es de hasta 0,02 % llevando como agregado alrededor de 0,4 % de cobre y menos de 0,1 % de molibdeno.

126

Se corroen hasta siete veces más lentamente que el acer~ común por el agua de mar. Se emplean en la construcción de navíos, vagones, depósitos, exclusas, canalizaciones de agua salada y edificios. En este grupo también se encuadran aceros con agregado de pequeñas porciones de cromo y aluminio empleados cuando se teme corrosión en medios alcalinos o por nitratos. III.- Inoxidables de alto cromo de estructura ferrita (blandos)

Carbono menos de 0,15 %. El cromo, cuando se encuentra en cantidades suficientes, se oxida con facilidad formando una capa protectora muy fina, casi invisible. · Se emplea en piezas expuestas al agua o al vapor, instalaciones de destilación, parachoques de automóviles, mesadas de cocina y artefactos sanitarios. En general su resistencia a la corrosión es muy inferior a la que presentan los aceros austeníticos que luego veremos. IV.- Inoxidables de alto cromo de estructura martensita (duros).

El contenido de cromo también debe ser mayor del 12% pero difieren de los anteriores en que el contenido de carbono es mayor del 0,15 %. Para fabricar instrumentos cortantes pueden llevar alrededor del 0,3 de carbono, pero como son susceptibles de formación y precipitación de carburos, lo que crearía heterogeneidad con pérdida de su resistencia a la corrosión, se limita este contenido a la cifra señalada; por esto los cuchillos de acero inoxidable no son tan cortantes como los aceros extraduros de alto carbono y se recurre a hacerles el dentado en su hoja. Para evitar la precipitación de carburos se templan en aceite desde 975° e y se revienen a 250° c. Se aplican en útiles de corte y cuchillería en general.

ro

V.- Inoxidables austeníticos.

El contenido de carbono generalmente es inferior al 0,15 %, el de cromo es mayor al 17 %, y el de níquel mayor al 7 %. El tipo fundamental es el llamado 18-8, que contiene 18 % de cromo y 8 % de níquel; a temperatura ambiente son de estructura homogénea austenítica (ver estructuras en apéndice) pues sabemos que con porcentajes suficientes de níquel se suprime el cambio alot rópico del hierro de y a a.. Esta condición de homogeneidad en el estado de estructura austenita sumada a la acción del cromo confieren su elevada resistencia a la corrosión. La propiedad de inoxidables de estos aceros puede perderse si no está presente el oxígeno que es el elemento que mantiene las

127

películas pasivantes. Además estos aceros se vuelven sensibles a la corrosión cuando para soldarlos, por ej ., llegan a calentarse entr~ 500 y 700 ° C precipitando a esta temperatura el cromo como carburo en los bordes de grano; como consecuencia se pierde cromo en los granos y se crean zonas de heterogeneidad que originan el ataque por haber aparecido ahora áreas anódicas chicas (borde) y catódicas grandes (grano). Para evitar este fenómeno se agrega a estos aceros Tit anio o bien Niobio o Tantalio. Los aceros de este grupo se emplean extensamente en recipientes para la industria alimenticia y química. Cuando deben r esistir cloruros además llevan Molibdeno, y si deben resistir ácidos no oxidantes en algunos casos se agrega cobre. Para exigencias más severas los porcentajes de Cr y Ni pueden ser superiores, por ej. 20-10. VI.- Inoxidables para alta temperatura. Generalmente la alta temperatura va junto a la presencia de otro agente corrosivo proveniente de hornos o motores ; ej., para válvulas de motores a explosión se mejoran los aceros 18-8 por agregado de tungsteno y molibdeno o silicio; para alambres de resistencias se usan aceros con 25 % de cromo o bien níquel y cromo en elevadas proporciones. El aluminio y el cobalto también comunican efectos refractarios.

Decapado Cualquier revestimiento que se aplique para protección debe ser aplicado sobre una superficie libre de grasas y de óxidos para que la corrosión no progrese debajo de ella, para que resulte perfectamente adherent e y no se salte con el tiempo. La operación de eliminación del óxid o se llama decapado y debe ser precedida de un desengrase; éste se hace por inmersión en soda cáustica (hidróxido de sodio) al 10 % caliente, o bien en frío o caliente, colocando los objetos como cátodos en baño similar de modo que a la acción desengrasante de la soda cáustica debe sumarse la acción mecánica del hidrógeno que se desprende sobre las piezas. También puede desengrasarse con solventes no inflamables como el tetracloruro de carbono o el tricloretileno, más usado este último. Luego del desengrase se lava con abundante agua. El método para eliminar el óxido dependerá de si está en capa gruesa o fina. Puede comenzarse por acción mecánica de cepillos de alambre o de pita (fibra vegetal), o por chorro de arena, papel esmeril, etcétera, y terminarse por inmersión en baños de ácido clorhídrico hasta el 50 % en frío o de ácido sulfúrico al 5 % a 70° C. Luego se lava abundantemente con agua y se pasa sin de· 128

mora a la aplicación dd revest imiento que interese; pasamos a vet los distintos tipos.

Esmaltado Se usa mucho para recubrir artícuios domésticos y sanitarios, bañeras, baterías de cocina, etcétera. Es un ...-idriado que s-e aplica en caliente. Se hace preparando una ."fritura" con mezclas de cuar-zo, caolín, colorantes minerales (óxidos), fundentes como el bórax, etcétera, qüe se funden eri un horno y una vez fría la mezcla, se· muele. Este polvo seco o húmedo se aplica sobre la pieza a esmal~ tar y ésta se lleva luego a un horno a temperatura suficiente para fundir la fritura aplicada, que de est~ m odo formará un revestimiento eficaz y vistoso. Zinc~ do

Si nos· fijamos en la tabla de potenciales (pág.' 154) 'observamos que el zinc está por encima del hierro, es decir, que si se ponen en o los dos metales, el zinc actuará como ánodo y se disolverá primero que el hierro, y que mientras ' haya zinc. pre.sente, éste lo protegerá (prot2cción catódica). Es un método muy eficaz exter.samente aplicado (chapas para techos,- perfiles,-bulones, alambres, etc.) y suele designarse como· galvanizado por el efecto de pila que se itn-o1ucra en la protección. El zinc puede aplicarse electrolíticamente o por 1nmersión de · la pieza en zinc fundido. Es más correcto r eservar el término galvanizado para los recubrimientos obtenidos ~lectrolíticamente . Fosfatizado Si se sumerge el hierro en un baño de ácido fosfórico o fosfato de ·manganeso, se forma una capa· porosa de fosfato de hierro (P04Fe) que forma un excelente anclaje para aplicación posterior de pinturas, barnices o esmaltes. También se usa el proceso para piezas frotantes·durante el período de asen tamiento, ya que la capa· porosa retiene el lubricante y edta las engranaduras. · · Pintado. Distintos métÓdos Es la operación mediante la cual aplicamos una película fina de un líquido (pintura) que luego se con\'C~rtirá en sólido por se.: cado. T iene por objeto proteger a Jos m etales de la corrosión, ais~ lándolos de la humedad y del oxígeno, y además se consiguen efec~ tos decora ti\'OS por la Yariedad de col01·es posibles de obtener. · Dichas películas pueden aplicarse con brochas · o pinceles, por

129

inmersión o por rociado o pulverización con pistoletes. En todos los casos la superficie a pintar d ebe es tar perfectamente limpia y seca, sin óxidos y desengrasada, y ya vimos los métodos empl~a"dos a tales efectos.

Tipos de pinturas

Más propiamente debemos generalizar y hablar de cubiertas protectoras que comprenden los siguientes l!llbros:

Cubiertas protectoras

{ Al aceite Al agua i Asfálticas

:flinturas

~

Barnices

J Al 1 Al

aceite alcohol

Esmaltes (barnices con pigmento) Lacas (nitrato de celulosa o piroxilina) -Pinturas al aceite. Son suspensiones de una sustancia inerte coloreada. el pigmento, finamente molidn. en un aceite lla~ mado secante pórque tiene la propiedad de endurecerse por oxidación; éste es el llamado vehículo y se emplean los aceites de lino, tung, soja, etcétera, pudiendo llev ar un . diluyente para h acerla más · fluida (aguarrás vegetal o mineral). Además se agrega tina sustancia que cataliza el secado y que recibe el nombre de secante, por ejemplo, el naftenato de plomo.

a

-Las pinturas al agua tienen ésta como vehículo del pigmento apropiado, con agregado de sustancia:; endurecerloras o ligantes, como la cola, dextrina, caseína, Játex. etc .. que forman solución coloidal. Cuando las piezas a pintar van a estar sometidas a la in~emperie se pintan con pinturas anticorrosivas que llevan como pigmentos e1 minio (hoy poco usado por razones de la insalubridad del plomo) . o diversos cromatos (de zinc, por ejemplo) que actúan como inhibidores de la corrosión . -Las llamadas pinturas asfálticas (negras) son sustancias bituminosas (asfalto) cuya principal acción es la buena aislación e impermeabilización del objeto pintado. - Los barnices al aceite están formados por aceites vegetales secantes con un diluyente y un secante com o en el caso de las pinturas, pero con el agregado de una r esina que hace que la película obtenida sea .más dura y brillante; no contienen . pigmento.

130

Las resinas pueden ser naturales, pero en la actualidaú se usan las artificiales de fenol-formaldehído y otras de ori~ gen igualmente plástico. -Los barnices al alcohol son simplemente soluciones de una resina· natural o sintética en alcohol; es muy conocido el barniz de goma laca llamado lustre. --Si al barniz le agregamos un pigmento tenemos el llamado esmalte. -Las lacas a la piroxilina son superiores a los barnices en duración y resistencia; están formadas por nitrocelulosa (piroxilina) disuelta en acetato de . etilo, de butilo, etc., con diluyentes como el xilol o nafta, pudiendo, además,_.llevar resinas sintéticas y pigmentos. Se emplean espe~ial mente para carrocerías de automóviles. -Como laca resistente a los ácidos, álcalis, gases, y productos químicos corrosivos se usa el caucho dorado disuelto en nafta solvente con agregado de resinas, secantes· y pigmentos. Equipos empleados

Ya viJl}os los equipos empleados para el desengrase y desoxidado previos: cepillos o bruzas de alambre, soplete de chorro de arena, solventes y soluciones desengrasantes, decapantes, etcétera. El pintado puede hacerse con brochas o pinceles de cerda. Tambié-11 puede hacerse por inmersión en baños de pintura, con lo cual se asegura una correcta penetración en todos los intersticios, debiéndose permitir. el escurrimiento del sobrante; carrocerías completas de adomóviles se pintan por este método. Tambiép puede pintarse por pulverización a pistola. Estas pueden trabajar produciendo la pulverización por aire ·comprimido o por simple inyección (presión) por acción de un pistón. En el primer caso trabajan con presiones altas 1 a 5 kg/cm2 , o con presiones bajas de 0,2 a 0,5 kg/cm2. Con alta presión se logra pulverización más fina (fig. 106) . pintura puede colocarse en .un depósito inferior de uno o dos litros solidario a la pistola y desde allí alimentarse por presión de aire a la boquilla correspondiente. La pulverización sin aire, por iny~cción, puede hacerse · con pistolete de accionamiento eléctrico: lleva un pequeño motor que acciona una membrana metálica a 4.500 oscilaciones por minuto que actúa como · bomba aspirando e impulsando pulverizada a la pintura.

La·

131

Hay otros equipos modernos que también pulverizan pero sir: tire, solamente inyectando la pintura por presión de una bomba a

'

atr~

f"IG. 1O!l.

pistón. El pistón inyector se encuentra separado del pistón impulsor o motor; éste es un motor a pistón accionado por aire comprimido.

Pintado por deposición electroforética Cuando en un recipiente existe un líquido con partículas muy finas en suspensión, si conectamos el recipiente al polo positivo (ánodo) y colocamos en el interior del líquido una chapa conectada al polo negativo (cátodo) se observa que las partículas en suspensión se depositan sobre el cátodo. Este fenómeno se llama electrofóresis y se interpreta que la sustancia en suspensión se carga positivamente y migra al cátodo mientras el vehículo o solvente se carga negativamente y migra al ánodo. Según la naturaleza de las partículas en suspensión, la migración podría ocurrir en sentido contrario. El procedimiento se emplea modernamente para el pintado de carrocerías de automóviles pues asegura una perfecta adherencia de las partículas cubrientes y por consiguiente una buena protección anticorrosiva. La carrocería en proceso, es sucesivamente decapada, fosfatizada, y luego sumergida en grandes recipientes con la pintura a aplicar; el recipiente hace de ánodo y la carrocería que se introduce se conecta al negativo o cátodo. Una empresa del país trabaja con recipientes de 260.000 litros, corriente continua aplicada a 300 voltios, y un tiempo de inmersión mínimo de tres minutos, transcurrido los cuales se hace escurrir la pintura y se lleva la carrocería para el secado en horno calentado a 200°C.

132

.Apéndice

Nociones de metalografía El comportamiento de los metales puede ser comprendido y explicado conociendo su estructura íntima, ya que sus propiedades mecánicas son resultantes de ésta. En Química se vio que los elementos químicos, según sus características, pueden ser metálicos y no metálicos. Los metales poseen brillo metálico, son buenos conductores del calor y de la electricidad, y sólidos a temperatura ambiente a excepción del mercurio. La unión de los átomos que forman los metales es típica y por eso se llama enlace metálico; es del tipo covalente pero con la particularidad de que los electrones pueden desplazarse de un átomo al otro (electrón libre); esta circunstancia explica muchas características propias de los metales. como por ejemplo, la conducción eléctrica. Estructura granular de los metales Cuando un metal se encuentra en estado líquido y se lo deja enfriar, llega un momento que cambia su estado físico pasando del 8stado líquido al sólido. Los sólidos en general pueden ser amorfos, como el vidrio, o cristalinos, como el cuarzo, la sal común, etc. Los cristales están formados por átomos dispuestos a distancias regulares (parámetros) . Si observamos con el microscopio metalográfico un metal bien pulido y atacado por un reactivo apropiado, ~e verán los granos (formados por cristales) unidos por sus bordes; por ejemplo una muestra de hierro puro se observa como en la figura 107.

133

~-+---grano

¡.f-.-

-

bord

FIG. 107.

Los metales se presentan solamente en tres sistemas cristalinos (fig. 108 a, b, e): cúbico centrado en el cuerpo (con un átomo en el centro del cuerpo); cúbico centrado en las caras (con un átomo en el centro de cada cara), y hexagonaL Las líneas son imaginarias y se trazan uniendo los centros de los átomos. Cuando esta disposición se repite se forma la red o retículo cristalino (fig. 109). átomo

~a

iJ

1

0

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lo .,_

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b FIG.

e

108.

El grano comienza a formarse por un pequeño cristal que va creciendo como las ramas de un árbol, encerrando entre ellas al líquido que va quedando el que a su vez contiene las impurezas. Este crecimiento arborescente característico se llama por eso dendrítico y dendrita al cristal que va creciendo hasta formar el grano, que resulta bastante irregular al encontrarse con los vecinos (fig. 110). En esta figura hemos representado imaginariamente a cada grano como formado por el retículo cristalino, y la representación, por su aspecto, se llama mosaico. Más real es la repre-

FIC. 109

134

sentación de una dendrita por cada grano; en algunos metales de bajo punto de fusión que desarrollan grano grande, como por ejemplo el an-timonio, este aspecto es claramente visible a simple vista (fig. 111). li.Q uÍdo cristal~s

FJG. 110.

F'Ic. 111.

Las impurezas, de punto de fusión más bajo, generalmente quedan entre los granos, en los bcrdes, disminuyendo la cohesión. Para evitar que rodeen completamente a los granos formando red, es preferible el grano chico, ya que en este caso hay más superficie de bordes donde aquellas se distribuyan. Posteriormente el grano primitivo puede recristalizarse por calentamiento, especialmente luego de una deformación, tomando una estructura más regular; el calentamiento comunica energía a los átomos, permitiendo que los mismos se muevan y se acomoden donde les corresponde dentro del retículo cristalino. Para el hierro esta operación debe hacerse por encima de los 450°C . .<\leaciones Cuando se dejan solidificar juntos dos o más metales, y a veces un metal con un no metal (caso del hierro y el carbono), se obtiene una aleación con propiedades mecánicas diferentes a las de cada componente. Siempre hay un metal fundamental que aporta el retículo propio, y dentro de éste, con cierto orden, se disponen (se disuelven) los átomos del otro elemento, formando una solución donde el solvente y el soluto son sólidos, por lo cual esta se llama solución sólida. No siempre se forma solución sólida sino que a veces los átomos de los elementos se agrupan en granos diferentes. Diagramas Cuando se solidifica un metal puro, por ejemplo estaño, podemos obtener el siguiente diagrama, si medimos temperaturas (termómetro) y tiempos (reloj o cronómetro) (fig. 112): 135

metal

FlG. 112.

donde se observa que a la temperatura de 232° e ésta se mantiene constante mientras haya líquido presente. A representa el comienzo de la solidificación y B el fin. En el intervalo AB hay líquido y sólido simultáneamente; la temperatura se mantiene constante porque el metal devuelve la energía que se le suministró al calentarlo. Si en vez de partir del líquido y dejar enfriar, procedemos a calentar el metal sólido hasta que se funda, y luego seguimos calentando el liquido fundido, el gráfico resultaría como lo muestra la figura 113, donde A es el comienzo de la fusión y B el fin de la misma.

lÍquido A,__ ___., B

sólido minutos FIG. 113.

•e

FlG. 114.

FIG.

115.

Si en vez de un metal puro tenemos una aleación, las curvas que se obtienen pueden ser como las indicadas en las figuras 114

136

y 115, donde se observa que no hay un punto de solidificación (o de fusión) , sino un intervalo entre A y B. El tramo BC es característico de ciertas aleaciones con "eutéctico" que definiremos en seguida y que, como observamos, solidifican a temperatura fija sin intervalo. Si tomamos ahora aleaciones de composición diferente (distintas proporciones de los mismos componentes), obtenemos una familia de curvas (dibujadas con líneas llenas en la fig. 116): •e

FIG. 116.

Si unimos todos los puntos A¡, A2, As, etcétera, y Bt, B2, Bs, etcétera, obtenemos el gráfico punteado en la misma figura 116. Entonces, si tenemos dos metales M y M' que formen aleación, trazando las curvas temperatura-tiempos para distintas proporciones de ambos, podemos pasar a estos gráficos temperatura-composición que se llaman diagramas de equilibrio, por ejemplo el indicado en la fig. 117.

Mt

Mt 1

<::>

liquido + M

e

v S

o

'

L

M +E M'

100 '!.M o '!. f-1'

lÍe¡.+ M' D

u

S

D

O'l. M 100 '!. M'

FrG. 117.

donde la curva MtEMt' representará los puntos de comienzo de solidificación y se llama curva "liquidus" y la curva CED representa el fin de la solidificación y se llama por esp curva "solidus". Se comprende que cada zona del diagrama representa las fases y metales que están presentes en cada una, entendiéndose por fase toda porción homogénea (de iguales propiedades), y estará sepa-

137

rada de otra fase por una superficie límite (un ejemplo de dos fases separadas sería el formado por agua y aceite) . El punto Mt es el punto de fusión del componente puro M y, análogamente, M't es el punto de fusión del componente puro M'. El punto E representa la temperatura de solidificación más baja de todas las aleaciones posibles de M y M' y se llama eutéctico: por debajo de esta temperatura no hay más líquido. Hay distintos tipos de diagramas; el ejemplo que vimos en la figura 117 nos da un diagrama con eutéctico; hay otros sin eutéctico (fig. 118) : lÍquido

"e Mt

O •¡, M 100 '(,M'

100 •¡, M

O'/. M Fl:G. 118.

En los dos casos observamos que por debajo de la curva solidus no hay otras curvas y por consiguiente se deduce que una vez terminada la solidificación no hay nuevos cambios o transformaciones en el metal o aleación. Pero hay otros diagramas donde existen estas curvas de transformaciones en el estado sólido, por ejemplo el indicado en la figura 119, donde observamos que hay los mismos elementos que en el primer caso de la figura 117, pero con el agregado de las curvas FG liquido

' Mt

soluciÓn SÓlida dll M 2n M'

soluciÓn sólida CÑ M' en M F

sólido M+ sólido M'

O '/,M

100 '/, M O •¡, M'

100 '/, M'

Fic. 119.

138

y F'G'; estas curvas señalan cómo varía la solubilidad de M' en M (curva FG) y de M en M' (curva F'G') ; esto es así porque los dos metales M y M' se hallan disueltos uno en otro formando solución sólida, la que se comporta lo mismo que cualquier otra disolución, por ejemplo, de sales en agua, que también tiene su curva de solubilidad. Es decir que a medida que disminuye la temperatura debe precipitar (separarse) algo del metal disuelto (en la cantidad que excede del límite de solubilidad señalado por las curvas FG y F'G'), apareciendo así otra fase sólida (el metal que precipita). Son curvas de solubilidad parcial. Diagrama de las aleaciones de hierro con carbono (Diagrama Fe-C) Si al hierro puro se le agrega carbono en diferentes proporciones se forma un grupo de aleaciones de suma importancia en la vida moderna; tales aleaciones son las llamadas ac~os y fundiciones de hierro. El hierro puro tiene la importante propiedad de que si se calienta o se enfría, a las temperaturas señaladas en el ¡:n-áfico de la figura 120, va cambiando de sistema cristalino (en la figura hemos representado el enfriamiento) y así observamos que puede presentarse a temneratura ambiente en el sistema cúbico centrado en el cuerpo (a·) , con un átomo en el centro del cuerpo; a mayor temperatura cristaliza en el sistema cúbico con un átomo en el centro de cada cara (formay); finalmente a temperatura más elevada vuelve a aparecer la forma cúbica centrada en el cuerpo~. A 768° (Ad la forma a se vuelve antimagnética, llamándoséle {3, pero el sistema cristalino se mantiene. Los puntos de transformación se designan con la letra A (del francés arret, que significa parada o detención, pues la temperatura se detiene, permanece constante), con el subíndice r o e según se

1535 1401

900

minutos FIG

120.

determinan por enfriamiento o calen tamiento (refroidissement o chauffage) y se llaman puntos críticos. Esta propiedad del hierro de cambiar de sistema cristalino con la temperatura se llama alotropía, y deducimos que esto sería motivo de transformaciones en el estado sólido, es decir que en el diagrama de equilibrio correspondiente deberán aparecer curv as de transformación causadas por esta propiedad, además de las curvas de solubilidad. El diagrama que se obtiene experimen talmente como en los casos anteriores considerando distintas aleaciones es el siguiente {fig. 121 y 121 bis) . 1

lÍquido

L+D

1

1

el )

1535 ' '.AIW't - - - -

0

1401

1145

: A+ Cm+ Le 900

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721

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o/.. P+Cm+ L2t

Lct+ Cm

:17 "' hipueutcctic:os .~;

·hipoqutcc.

6,66

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~

ACEROS

'----~FU ~N-.:DICI-0-:-:N:::E : S:----..J

=

0,89 o/o eutectoide 4,3 % = eutéctico FJc. 121.- Diagrama h ierro-carbon o.

140

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1

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1535

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fUNDICIONES

o.eg 'J,

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4.3 •¡. ; '"utectico

FIG.

121 b is.

Si el enfriamiento es rápido, el diagrama que resulta es el de líneas llenas y se llama metaestable, muy importante para aceros; si el enfriamiento es lento, el diagrama es el de puntos y se llama diagrama estable porque se obtienen productos estabilizados, ya que por el enfriamiento lento los átomos pueden acomodarse sin obstáculos en los lugares que les corresponde en la red, quedando

141

con su estado de energía más baja, lo que no ocurre totalmente en el caso anterior, y de allí los nombres de metaestable y estable. La zona del hierro S, industrialmente no tiene importancia y no la consideraremos. En cada zona van apareciendo cristales de microconstituyentes que se designan con nombres especiales, y que se distinguen perfectamente mirando con un microscopio previo pulido y ataque con un reactivo apropiado (Nital). Para hacer las observaciones a distintas temperaturas puede usarse un microscopio metalográfico de platina (lugar donde se coloca la muestra) calentable. A-austen.ita: es una solución sólida de carbono en hierro y. F-ferrita: es una solución sólida de carbono en hierro a; es el más blando de todos los microconstituyentes; dureza Brinell 90. Cm-cementita: es un carburo de hierro de fórmula CFe3; el más duro y frágil; dure~a 68 Re. P-perlita (eutectoide): formada por láminas alternadas de ferrita y de cementita; al microscopio aparece como una impresión digital. Su dureza varía de 180 a 300 Brinell según que esas láminas sean gruesas o finas (esto depende de la velocidad de enfriamiento). Le-ledeburita (eutéctico): formada por un fondo de cernentita con manchas o lagunas de austenita. Let-ledegurita transformada: constituida por un fondo de cementita con canchas o lagunas de perlita. Ya vimos lo que era un eutéctico; cuando ocurre una transformación similar pero toda en el estado sólido se llama eutectoide y está representada por el punto S del diagrama (obsérvese la similitud de las curvas que concurren a ellos). El diagrama nos va a permitir deducir para cada aleación, de qué microconstituyentes resultará formada. Veremos el proceso de enfriamiento de distintas aleaciones de hierro y carbono, partiendo en cada caso del estado líquido (fundido) , y dejándola enfriar, analizaremos sobre el diagrama para ver qué rnicroconstituyentes aparecen a cada temperatura. Aceros (diagrama metaestable)

Aleación con 0,89% de C (acero eutectoide) -Punto e1 : el acero está fundido (líquido), y si observamos con un microscopio veríamos esto (fig. 122) : p

FIG. 122.

142

FIG. 123.

FIG. 124..

FIG. 125.

-Punto e2 : al cruzar la curva liquidus han aparecido los primeros cristales en el seno del líquido, los que van creciendo, de manera que en este punto tenemos cristales (dendritas) de austenita y líquido; los dendritas siguen creciendo hasta llegar a la curva solidus (fin de la solidificación) (fig. 123). La composición de cada fase a cada temperatura puede conocerse trazando por ese punto una horizontal sl que corte a las líneas solidus y liquidus en s y l respectivamente; proyectando estos puntos sobre la absisa tenemos allí la composición de cada fase; en nuestro caso sería aproximadamente · 0,52 % de C para el sólido y 1,85 % de e para el líquido. También puede obtenerse la cantidad de líquido y de sólidd' en ese punto (es decir la concentración de cada fase), haciendo · uso de la regla de los segmentos inversos o regla de la palanca:. e2 1 1,85 - 0,89 0,96 %sólido = - - = -- - - - X 100 = - - X 100 = 72 !fo sl 1,85 - 0,52 1,33

e2 s

% líquido = -- = sl

0,89-0,52

0,37 X 100 = - - X 100 = 28 % 1,85 - 0,52 1,33

Debe resultar : 0,89 = 0,52 X 0,72 + 1,85 X 0,28. (la regla de la palanca tiene demostración). Los dendritas resultan así formados por capas de distinta composición y a esto se llama segregación dendrítica. Luego de pasar la curva solidus, si el enfriamiento no es muy rápido, se homogeneíza la composición por difusión del carbono desde las capas más externas (más concentradas), hasta las internas. El aspecto al microscopio sería el indicado en figura 123. -Punto ea: al cruzar la curva "solidus" (fin de la solidifica<:ión) todo el líquido que quedaba solidifica como austenita, y al microscopio veríamos lo que indica la figura 124. Como al seguir enfriando no se cruza ninguna línea, no ocurrirá ninguna transformación hasta llegar al punto S (Ac 1 ). -Punto S (Ac1): cuando se cruza este punto que señala la temperatura eutectoide, la austenita sufre una transformación característica: se transforma en perlita que, como dijimos, está formada por láminas alternadas de cementita y ferrita que vistas al microscopio aparecen como una impresión digital, esquemáticamente representada en la figura 125. Obsérvese cómo las láminas cambian de orientación en los bordes de grano. Esta es la estructura que presentan a la temperatura ambiente estos aceros llamados eutectoides. 143

Aleación con 0,55% de carbono (acero hipoeutectoide) -Punto Yt; ídem al caso anterior, y se observaría como en la figura 122. -Punto Y2; ídem al caso anterior, y se representaría como en la figura 123. -Punto Ys; ídem al caso anterior, y se representaría como en la figura 124. -Punto y 4 ; aquí ya cruzamos la curva Ac3 y habrá transformación: allí comienza a separarse ferrita, que se forma comenzando por un pequeño núcleo en el borde de grano que luego va creciendo hasta quedar rodeando a la austenita, pues se formaron varios núcleos que fueron creciendo y luego se unen o coalescen; de manera que al microscopio el aspecto sería el indicado en la figura 126.

F

F'IG. 127.

FIG. 126.

Al disminuir la temperatura e irse separando la ferrita, se observa que la austenita va aumentando su contenido de carbono (trazando las horizontales), hasta que a 721°C toma la composición del eutectoide. -Punto y 5 ; cuando se cruza la línea Ac1 de temperatura eutectoide, la austenita se transforma en perlita, como ya vimos, de manera que el aspecto de estos aceros al microscopio es el representado esquemáticamente en la figura 127. Con menos carbono hay menos áreas de perlita y con más carbono, las áreas de perlita aumentan, de modo que así podrá conocerse en forma aproximada el porcentaje de C.

Aleación con 1,2

ro

de

e

(acero hipereutectoide)

-Punto ht; ídem al caso anterior, y se observaría como en la- figura 122. -Punto h2; ídem al caso anterior, y se observaría como en la figura 123.

144

-Punto h 3 ; ídem al caso anterior, y se observaría como en la figura 124. -Punto h 4 ; la línea Acm es la que nos indica la máxima solubilidad · del C en la austenita a cada temperatura, de m anera que al seguir enfriando precipitará el carbono bajo la forma de cementita o carburo de hierro, que se deposita en los bordes de grano formando una red, y al microscopio observaríamos así (fig. 128): Q ~

o o

D D

o

FJG. 128.

FIG. 129.

6 _l__cm

O

:)

o

o

..

F

:__::/

FiG. 130.

Al irse separando carbono bajo forma de cementita, la composición de la austenita se va acercando a la del eutectoide, lo que ocurre a los 721°C. -Punto h5; al pasar Ac1 ~ 721 °C, todo lo que es austenita se transforma en perlita, y el aspecto que en consecuencia estos aceros presentan al microscopio, a temperatura ambiente, será como indica la figura 129. Estos aceros se emplean, por su dureza, para fabricar herramientas, pero como la red de cementita les daría fragilidad, se someten a un recocido llamado de esferoidización o globulización (ver pág. 151), de manera que todo lo que es cementita se agrupa en forma de bolitas, evitando la continuidad de la red (fig. 130). Nota: En todos los casos las micrografías que se representan son dibujos a pluma de las observaciones efectuadas con aumentos convenientes para poder caracterizar cada microconstituyente. Fundiciones blancas (diagrama metaestabie)

Aleación con 4,3% de C (fundición blanca eutéctica) Las transformaciones según el diagrama metaestable se realizan con enfriamiento rápido y con poco silicio o mucho mangz.neso. -Punto E1; todo está líquido y no ocurre nada hasta llegar al punto E. La representación de lo que se vería al microscopio sería como en la figura 122. -Punto E; punto de temperatura eutéctica 1.145°C. Cuando por enfriamiento llegamos a este punto. todo el líquido !Oli145

difica simultáneamente transofrmándose en un sólido llama~ do ledeburita, compuesto de austenita en un fondo de ce~ mentita. La representación esquemática de la micrografía sería como la figura 131 a. -Punto E2; desde E y hasta Ac 1 , la austenita (de la ledebu· rita) va perdiendo carbono en forma de cementita (según 1o indica la curva Acm) , la que pasa a engrosar las áreas de oeementita de la ledeburita. Cuando por enfriamiento se llega .a Ac 1, la composición de la austenita será la del eutectoide. -Punto E 3 ; la austenita que ya quedó con 0,89 % de carbono · sufre la transformación característica en perlita, de modo que la estructura queda formada por cementita y perlita (ledeburita transformada, Let), y al microscopio se observaría como en la figura 131 b.

AJ Le

P

Cm

Cm

o

J

let

b

FIG. 131.

Aleación. con 3% de carbono (fundición blanca hipoeutéctica) -Punto r 1 ; ídem al caso anterior, todo líquido. -Punto r 2 ; al cruzar la línea liquidus comienzan a formarse cristales de austenita, dendritas en forma similar a como vimos en la figura 123, de modo que en esta zona tenemos austenita y líquido; a medida que enfriamos, el líquido va tomando la composición eutéctica (4,3 % de C). -Punto r 3 ; al llegar a los 1.145°C, temperatura eutéctica, todo el líquido remanente se transforma en ledeburita con lo que la estructura resultará formada por austenita rodeada de ledeburita como indica la figura 132: ¡-- ·~•

A 0

0

0 ', o

~·

o O,

0 - '--Le 1

"

Fl:c. 132.

146

..

Frc. 133.

Desde la temperatura eutéctica hasta Ac1 solamente ocurrirá que la austenita separa carbono bajo la forma de cernentita, la que va a engrosar las áreas de ledeburita, según lo indica la curva de solubilidad Acm, de manera que la composición de la austenita va acercándose a la del eutécJ tico, lo que ocurre a los 721 °C, Ac1. -Punto r4; al trasponer Ac 1 la austenita se transforma en perlita, de modo que la estructura microscópica de la fundición blanca hipoeutéctica a temperatura ambiente resulta como en la figura 133.

Aleación con 5 % de C (fundición blanca hipereutéctica) -Punto p¡; todo líquido. -Punto p2; al trasponer la curva liquidus comenzó la sepa~ ración de grandes cristales aciculares (de forma de aguja) de cementita, llamada cementíta primaria; al microscopio se vería como indica la figura 134: · l

L

Cm,ia

Fra. 134.

Fra. 135.

Fra. 136.

Al continuar el enfriamiento, la composición del líquido se va aproximando a la del eutéctico. -Punto ps; al pasar la curva sólidus, temperatura eutéctica, todo el líquido se transforma en el eutéctico ledeburita, que se dispondrá, en consecuencia, rodeando a la cementita primaria como indica la figura 135. Al continuar el enfriamiento hasta Ac1 de la austenita que constituye la ledeburita se va separando carbono bajo la forma de cementita (cementita secundaria), que irá a engrosar las áreas de cementita de la ledeburita. La composición de la austenita (de la ledeburita) se va aproximando a la del eutectoide, lo que ocurre a los 721°C. -Punto p4; al cruzar A.c1 , la austenita que constituye la lede. burita se transforma en perlita, de modo que al microscopio deberá aparecer una estructura formada por cernentita primaria rodeada por ledeburita transformada, como se indica en la figura 136. 147

Fundiciones grises (diagrama estable: línea de puntos) Pasamos ahora a estudiar el enfriamiento de probetas según el diagrama estable, o sea el que resulta con enfriamiento lento, con silicio suficiente (hasta un 2% aproximadamente) y poco manganeso, lo que nos produce fundiciones cuyas fracturas se presentan de color gris, de allí su nombre; esto es debido a la presencia de grafito que proviene de la descomposición de la cementita que se produce por el lento enfriamiento y con silido como catalizador grafitizante, según la siguiente ecuación: CFe8 ~ C (gr)

+ 3 Fe

(el manganeso ejerce influencia contraria, actuando como estabilizador de los carburos) Veremos varios ejemplos por separado.

Fundición gris eutéctica -Punto E'1 ; toda la aleación se encuentra en estado líquido (fundido). -Punto E' (el punto eutéctico ha sufrido un desplazamiento por efectos del silicio agregado). Cuando la temperatura baja hasta E' se produce la solidificación en ledeburita , formada como ya sabemos, inmediatamente debajo de E', por austenita y cementita como anteriormente. -Punto E'2 ; a partir de la formación de la ledeburita y hasta Ac 17 lo único que ocurre es la separación de carbono de la austenita que forma la ledeburita, pero a diferencia de las fundiciones blancas, aquí éste se separa como grafito, de manera que en este punto la estructura estará formada por austenita, grafito y ledeburita. A medida que desciende la temperatura, la austenita, al ir separando más carbono, va aproximando su composición a la del eutectoide, lo que ocurre cerca de Ac1. -Punto E'3 ; a los 721 °C la austenita se transforma en perlita, de manera que por debajo de esta temperatura y a temperatura ambiente tendremos una estructura formada por perlita y grafito.

Fundición gris hipoeutéctica Industrialmente muy importante. -Punto r'1; por encima de la curva liquidus, todo se encuentra al estado líquido (fundido) . -Punto r'2; al pasar por enfriamiento la curva liquidus, comi.enza la formación de denddtos de austenita; como en el

148

caso anterior aquí coexisten las fases líquida y sólida (dendritas de austenita). A medida que baja la temperatura, la composición del líquido se va aproximando a la del eutéctico. -Punto r'a; cuando se alcanza la temperatura eutéctica todo el líquido se transforma en ledeburita (austenita y cernentita), de manera que inmediatamente a la solidüicación, la estructura resulta formada por cristales dendríticos de austenita rodeada de ledeburita, pero luego, hasta Ac1 , la austení.ta, tanto la de los dendritas como la que constituye la ledeburita, va separando grafito; o sea que en este intervalo la estructura estará formada por austenita, grafito y ledeburita. Al aproximarse a la temperatura de Ac 1 la composición de la austenita se acerca a la del eutectoide. -Punto r'4 ; a los 721°C, la austenita se transforma en perlita, y así finalmente, al igual que en el caso anterior, la estructura estará formada por perlita y grafito; la diferencia puede estar en el tamaño y cantidad de las láminas de grafito. En todos los casos puede aparecer en la microestructura, un microconstituyente eutéctico formado por fósforo y hierro (!osfuro de hierro y ferrita) llamado steadita, que se observa con aspecto semejante a la piel de leopardo, en los bordes de grano de la perlita. Eventualmente también puede aparecer ferrita proveniente de la descomposición de la cementita, y en consecuencia en este caso deberá observarse al lado de una lámina de grafito. La micrografía sería como la representada en la figura 137.

FIG. 137.

Fundición gris hipereutéctica -Punto p'1; por encima del liquidus toda la aleación se encuentra en estado líquido, fundido. -Punto p'2; al trasponer la curva liquidus, punteada, comienza la separación de grandes vetas de grafito y a medida que avanza el enfriamiento continúa esta separación y la composición del líquido se va aproximando a la del eutéctico.

149

-Punto p'3 ; luego de la solidificación, inmediatamente después de la temperatura eutéctica, la estructura estará formada por vetas grandes de grafito rodeadas del eutéctico Jedeburita; luego, hasta Acll ocurre la separación de grafito de la austenita, en láminas que resultan de menor tamaño que las anteriores; la composición de la austenita se Ya aproximando a la del eutectoide. -Punto p',; luego de los 721 °C la austenita sufrió la transformación en perlita y por consiguiente hasta la temperatura ambiente tendremos una estructura formada por perlita y grafito en láminas de dos tamaños; como en el caso anterior también podrá aparecer steadita.

Fundición atruchada Es una mezcla (zonas) de fundición gris y de fundición blanca. Grafito

De lo que acabamos de ver se deduce que pueden aparecer distintos tamaños de láminas de grafito y las mismas se clasifican según patrones o standard (A.S.T.M.); industrialmente, por su desempeño mecánico, tienen mucha importancia el tamaño, número y distribución de las láminas. Para su examen microscópico se observan las probetas pulidas, sin ataque. En las fundiciones grises hipoeutécticas el tamaño y distribución puede estar determinado por el porciento de C: cuando éste es próximo al eutéctico, los dendritos de austenita que se forman en el seno del líquido son más pequeños, y, en consecuencia, el líquido que luego solidificará como eutéctico ocupa lugar muy grande y aquí podrá formarse

E

o Frc. 138.

150

e

B

A

el tipo de grafito más d eseadc, el tipo A, representado en la figura 138 (observación sin ataque). En cambio con menos e los dendritas son grandes y , además, dejan menos espacio para que se desarrollen las láminas de grafito, ya que este tipo de· fundición presenta un fenómeno característico de sobrefusión, continuando el crecimiento de los dendritas; aquí se da lugar a la aparición de los tipos D y E, con láminas sin orientar y orientadas, respectiv amente. El tipo B aparece cuando habiendo C y S i: elevados, el enfriamiento es r ápido (pero m enos que para obtener fundición blanca). El tipo e ya vimos que corresponde a las fundiciones grises hípereutécticas, con dos tamaños de láminas. Ya dijimos que las láminas de grafito equivalen a huecos o grietas, a veces comunicadas entre sí, que disminuyen la resistencia, y dentro de esto las propiedades mecánicas serán mejores cuanto más chicas sean las láminas y más uniforme su distribución. En la fundición nodular este inconveniente se ha eliminado, pues el grafito se obtiene como esferitas o nódulos como indica la figura 139.

Fic. 139.

Endurecimiento por temple del acero Cabe preguntar ~ qué se debe el endurecimiento que el acero sufre por el enfriamiento brusco a que se lo somete durante el temple. Para explicarlo tengamos en cuenta los cambios alotrópicos del hierro; en la figura 120 observamos que la celda o cristal ele-

FIG. 140.

mental del hierro y, tiene un parámetro mayor que la del hierro a (3,63 A y 2,9 A, respectivamente; (A= Angstrom 10"1 cm). Por esta razón, cuando el hierro se encuentra en el estado alotrópico y los átomos de carbono pueden entrar fácilmente y se alojan entre }os átomos de hierro en los lugares marcados x en

=

151

la figura 140, formando una solución sólida llamada austenita, que puede contener hasta 1,7% de carbono. Si se enfría lentamente, pasando el punto crítico, esta forma y pasa a la a y se "encoge", expulsando al carbono que antes había disuelto. En cambio si enfriamos bruscamente al hierro en estado y que tiene carbono disuelto, éste no tiene tiempo de salir y queda aprisionado deformando y distorsionando la red cristalina; se produce entonces una estructura de agujas (acicular) en zig zag, que al microscopio aparece como un pajar; esta estructura recibe el nombre de maTtensita (fig. 141), siendo muy dura: 50-68 Re. Contiene 1% de carbono. Quiere decir entonces que para templar es indispensable calentar el acero transformándolo en austenita, y luego enfriar bruscamente para que se forme martensita. Se deduce que para que se produzca la deformación de la red cristalina que es lo que motiva la aparición de la dureza, debe haber un contenido mínimo de carbono; los aceros se endurecen por temple si contienen como mínimo 0,35 % de carbono.

M

FIG. 141.

Frc. 142.

Para lograr un endurecimiento satisfactorio no es indispensable que en la estructura haya 100 % de martensita, sino que es suficiente 50 % de martenslta y 50 % de t-roostita; ésta puede aparecer enfriando con menos velocidad, situándose en los contornos de los cristales; es como una perlita sumamente fina, de aspecto nodular oscuro. El acero resulta así menos frágil (fig. 142). El revenido que siempre sigue al temple, transforma las agujas de martensíta en otras menos agudas y menos frágiles, maTtensita Tevenida, y a mayor temperatura durante el revenido también aparece otro microconstituyente parecido a la martensita pero de agujas más oscuras y menos agudas, la bainita. Tratamientos térmicos

Una vez que hemos conocido el diagrama Fe-C volvemos sobre este punto a fin de completar el estudio de los tratamientos térmicos, localizando en el diagrama las zonas dentro de las cuales deben efectuarse los calentamientos respectivos, según lo hemos tratado en cada punto del texto. 152

oc 1600

r:;oo 1400 1300 1200

1100 1000 900

800

700 600

500 400 -

300

~

..

"> e

200

100 1

o

1 0,89

1.7

•¡¡;

FIG. 143.

Si en el temple por ejemplo, en vez de sobrepasar la temperatura crítica superior, Ac3, en el calentamiento, sólo se sobrepasa Ach temperatura crítica inferior, la austenización de la estructura será parcial, y el temple final resultará en consecuencia también parcial.

A los tipos de tratamientos vistos debemos agregar el de envejecimiento que es un fenómeno que puede verificarse en aleaciones en cuyo diagrama aparece una curva de solubilidad parcial FG, como el de la figura 144. De allí podemos tomar una aleación de una composición z, calentar hasta la temperatura t. y enfriar bruscamente; se formará una solución sobresaturada y con el tiempo precipitarán cristaloides del soluto, deformando la red cristalina y en consecuencia aumentando la resistencia y la dureza. La precipitación puede acelerarse artificialmente por calentamiento. Es un tratamiento muy usado en aleaciones de aluminio, realizándose a aproximadamente 250°C. ~'e

tz

•toA •¡, B F'Ic. 144.

En el diagrama Fe-C se observa que tenemos una curva similar a la FG, la MN (que representa la solubilidad de cementita en ferrita a diferentes temperaturas) y a veces ocurren fenómenos similares precipitando cementita en los bordes de grano, precipitación que es catalizada por el oxígeno y el nitrógeno contenidos en la chapa. En este caso se trata de un fenómeno industrialmente perjudicial, pues es causa de fragilidad, lo que debe evitarse en construcciones de responsabilidad, por ejemplo en calderas, empleándose a tal efecto chapas especiales bien desoxidadas y sin nitrógeno, fabricadas en hornos eléctricos y con el agregado de aluminio (aproximadamente 0,8 %) . Tratamientos isotérmicos Para el estudio de los tratamientos isotérmicos y también de los tratamientos térmicos comunes se hace uso de las curvas TI'T (temperatura, tiempo, transofrmación), llamadas curvas S por su forma. Ellas registran los distintos puntos críticos de transformación del acero en función de la temperatura y tiempo de enfriamiento. 154

Para construirlas se prepara una serie de probetas con el acero que desea ensayarse, las cuales se templan en baños de metal fundido (plomo) o de sales fundidas, en lugar de hacerlo en agua o aceite como en los temples clásicos, consiguiéndose, luego de tiempos determinados, la transformación de la austenita a la temperatura del baño. Concretamente vamos a proceder calentando todas las probetas en un horno mantenido a temperatura de austenización, 30 a 50°C por encima de Acs; luego pasamos todas las probetas al baño caliente y de allí se van retirando una a una, a intervalos más o menos regulares, y se las enfría rápidamente en agua. Se observa al microscopio la estructura obtenida durante el tiempo que estuvieron en el baño, que se conoce para cada probeta, y así puede determinarse cuándo comienza y cuándo termina la transformación, de manera que obtenemos dos puntos para cada temperatura. Repitiendo el procedimiento para distintas temperaturas del baño de sales, y uniendo todos los puntos de comienzo y todos

Plzrlita gruesa Perlita fina Sorbita Troostlta

Bainita Martensita

10

10"

~· 10 tiempos en segundos (escota logoritmica)

Frc. 145.

los ae fin de transformación, obtenemos las curvas S para un determinado acero. Como ejemplo observamos en la figura 145 una ctH"Va de este tipo donde se han señalado las estructuras que se obtienen con diferentes temperaturas del baño de sales, y las curvas de enfriamiento continuo que representan a los tratamientos clásicos (punteadas). Sobre la base del conocimiento de la transformación isotérmica de al austenita se han podido desarrollar los tratamientos isotérmicos.

155

Cada acero tiene su curva S y de ella podemos sacar la temperatura necesaria en el baño caliente para que se produzca una determinada estructura, y el tiempo aproximado de permanencia en el baño. De acuerdo · a la figura 145 los tratamientos se realizarían en la forma que mostramos, primero en la figura 146 que nos representa el recocido isotérmico. "e

Fic. 146.

FIG. 147.

En la figura 147 representamos el llamado austempering, que es un temple con estructura final bainítica; tiene la ventaja sobre el temple clásico de que las distorsiones son mínimas y las tensiones residuales son pequeñas, aplicándose a aceros especiales, herramientas y matrices, a 250-350°C. A esta temperatura estos aceros pueden presentar fragilidad, por precipitación de carburos complejos, y se debe tener precaución. En el proceso de martempering o temple interrumpido se obtiene la misma dureza que con el temple común pero con menos distorsión y peligro de agrietamientos. El tratamiento no es rigurosamente isotérmico puesto que hay una temperatura inicial y una final del proceso, pero se trabaja con un baño a temperatura constante. Obsérvese en la figura cómo se uniformizan las temperaturas de periferia y núcleo (fig. 148). Se aplica a aceros de herramientas y de elásticos de alto carbono. El tratamiento llamado patenting, cuyo proceso se representa en la figura 149, se aplica luego del trefilado de los alambres especialmente los que se fabrican con aceros de 0,5-0,7 %. •e

•e Ac)

FIG. 148.

156

FIG. 149.

de C, obteniéndose estructura sorbítica. La sorbita es como la perlita pero con láminas sumamente finas difíciles de observar separadas. Se consigue alta resistencia junto con buena aptitud para deformación. El procedimiento, como se observa, consiste en calentar el alambre por encima de Ac3 , unos 800-1.000°C según la composición del acero, y luego pasar a un baño de Pb a 600°C aprox. enfriando finalmente al aire. Tabla o serie de potenciales electroquímicos

+ (Electropositivos)

-

Cesio Rubidio Potasio Sodio Litio Bario Estroncio Calcio Magnesio Aluminio Cromo Manganeso Zinc Cio Hierro Cobalto Níquel Estaño Plomo Hidrógeno Antimonio Bismuto Arsénico Cobre Mercurio Plata Paladio Platino Oro Iridio Rodio Osmio (Electronegativos)

1 •

157

ACEROS AL

C :UmONO 1

P%

Mo%

Si o/o

DESIGNA.ClON

lRAM

ESTADO

R

(Tratam. Térm.)

Kg/mm1

Recocido Normalizado Recocido Normalizado Recocido Normalizado - Recocido Normalizado Recocido Normalizado Recocido Normalizado Recocido Norma1izado

ACEROS ALEMJOS

TIPO DE ACERO

C

Mn 'Yo

s;%

S 'Yo

~A-ce-ro-a~l""w..--1-1,-,'1- a,--l,..,o""."'1_.5 a o;2'il < 0,03 para brocas

1,2

~A-c-e-ro-a"l~C~r-- 1~1',"'15,------a para limas

1,3

0,30

18% de w

0,8

l

Ni 'Yo

1ü

- --

W%

0,30

V•%

~~ --- _ _ _ _ 4

~

----o;g:r-

Ejes, transmisiones, tensores, rieles

D60UREaZA

_ 64 _Re 60 a 1

APLICACIONES

1

- 'u"t"n-=-es=-=pa = ra:--:c-=-o-r t'"'a_r_y---'r'-o-sc_a_r_,_m_a_c~h-o-s, calibres , fresas, terrajas, brocas, hojas de sierras para metales

:--,L~i~m;::a;.;s::',':si:ie:;;r:;;ra;.:s~p~a::Cra:-':mcce:":ta~les~~~-

64 Re

~-- _ _ _ -,.a::-i::-:re'---.--===--I-"'M-;;--I-=====---:;:--==-:-==~ 1-1,25

- -- - - - - :____,- - _ _ _ 18 1-1,25

o:s:r-

Temple 780-SOO'C, agua, rev. 200"C al aire Temple 780 a

~~:~5o";25~E~~

0,4

1~ --- ___ 0,15 a o;2'il < 0,03 < 0,03 4 0,30 0,4

a

_ _____ ¡;¡

Piezas de máquina, transmisiones, llantas

_c_o_%-I---,;T-R_A_T~,_·~¡·E~R~M~IC~0~-1

0,4

o:2'il < 0,03 < 0,03

Piezas de máquina, ejes, bulones

UERRA~OENTAS

..___ - -

o:2'il < 0,03 <0:03 - - - - ----o;s:r-------

"'A_c_e-r o-s- e"' xt"'r-a- I'" '0"."7 5 ·¡ ; 0,15 Q;2'il < 0,03 '< 0,03 - - - - - 4 - ----¡¡¡ rápidos al 0,8 0,30 0,4 5% de Co l~ ------.----Aceros extra --o;8a 0,15 a ----o;2a <:0,03 < 0,03 - -4 18rápidos al 0,85 . 0,30 0,4 10 % de Co

l5B

Mo%

0,9 a 1

0,4

0,15 a

'"'"A-:cce - ro ....,--c:r•áp " 'i"dc:o- l--;o<e,65""-::--a 0,15 a 12 % de W 0,75. 0,30

~A,--ce_ro_r---,á"'p'id""o-'l-;;oc;,7;-::-a-

p%

< 0,03 - --

PARA

39 41 41 45 48 52 53 60 58 69 62 77 90 90

Al' LI C A.CI O N F. S

Remaches, clavos, piezas de forja, para cementar

H.25 - - 5 ~-

f.l,25 ----y¡¡-

Temple 12,50'C en aceite, revenido 540'C en aire Temple i3óO•c en aceite, revenido a 570"C al aire Temple 1320'C en aceite, re\>enido 580'C al aire Temple 1320'C en aceite, revenido 580'C al aire

62 a 64 Re

Herramientas de torno, cuchllias, brocas, escariadores , machos

-6;;-2~a;;--I-
pesados

62 a 64 Re

Idem anterior, pero mayor velocidad y viruta

62 a · 64 Re

Herramientas de corte para materiales muy duros y a a ltas velocidades

159 ,

.ACEROS PARA FABRICACION DE :E STAMPAS Mo%

Va%

0%

Si%

Mn%

S%

P%

< 0,3

0,5·0,8

< 0,05

< 0,05

Acero común para embutlclón

0,55 a 0,65 0,8 a 0,9

0,1 a 0,25

0,25 a 0,6

< 0,03 < 0,03

Acero Indeformable alCr

0,85 a 1,05

0,15 a 0,30

0,25 a 0,6

< 0,03 < 0,03

1,3il

0,4 a 0,5

0,15 a 0,30

-----o:2it

< 0,03 < 0,03

- - - Q,3il" o;6ii

DESIGNAOON COMUN

Acero común

Acero al Cr-NI-Mo

C%

- - - - -- - - --- - - -

-

Opcio-

1,6

0,4

--- -

Not·malizado según requer imientos Temple a 780 a soooc en a g ua, revenido a 150 a 225<>C en aire Temple a 850 a 875oc en a ceite, :reveni:do a <150250°C en aire Te mple 850 a 875"C en aceite, revenido a 500-60000 en a ire

-

nal

- -1 T a 1,7

0,6

0,75

TRATAMIENTOS TERMICOS RECOMENDADOS

NI %

- - - -·

DUREZA Ro

APLICACIONES

Forja liviana 57-62

Matrices para embutir

60-65

Matrices para trabajo en frlo

40-50

Matrices para es tampado en serie y en caliente de aceros (y metales no fé rreos); clg Uellales, ble· las, etc.

1

EJEMPLOS DE ACEROS ESPECIALES

TIPO DE ACI!RO

Acero al NI

C%

Si%

0 , 3 0,1-0,3

Acero al Cr-Va 0,95 a 0,1-0,35 1,2

Mn o/c

So/o

P%

0,4-0,7

< 0.04 < 0,04

---

< 0,04 < o.o4

Acero al Cr-NI 0,25 a 0,3

0,1-0,3

0,4-0,7

< 0,04 < 0,04

Acero al SI-Mn 0,55 a 0,65

!1.,8-2,2

0,7-1

< 0,04 < 0,04

Acero para ni- 0,35 a trurar al Cr- 0,45 Al-Mo

0,1-0,4

< 0,65 < 0,04 < O,Q4

a Acero de fé.cll 0,14 a < 0,1 ---rr.3 0,24 0,33 0,2 mecanización al S Acero lnoxlda- < 0,12 ~ ~ < 0,05 ble al Cr Acero lnoxlda- 0,15 a 0,18 ble al Cr·Nl

Ni %

-3-

- -4-4,5

0.8

W%

1,4-1,8

¡< 0,4

Mo%

- --

Va

- - - - ---:r:r,5

1,4-1,6

- -- --- - - -

--

- - - -o;l5t 0,30

- --

--

o/o

Co%

1 0,2-0,3 -

- -

- --

r--- - - - - - r--- - - ----

---

- --

- --· 0,9

a 1,2

---

- - - --- ~ - - - - - 1:------- -

--

- - - - ¡ - r---- - -18-20

J\1%

t--- - - - - - --

- - - - --

- -- - - - - --

""""0,5"it ----o;4a < 0,04 < 0,04 \ 8-10 0,75

0%

- - - - --

TRATAMIENTO

R

T ER MICO

Kg/mm1

DUREZA

Temple 840°C 80 235a agua, 207 DB r even. 600"C Temple 890°C 200 60 a enfr. horno, a 63 Re rev. 150-250°C 220 Tem pie 826'C----rro 310 DB enfr. a1re, reven. 600"C 1 e n a g ua Temple 850170 890"C, ace ite, rev. 450-500°C N itruración a 95 290DB en nú500-56Q°C, cleo; temple 900oc, llOO a ceite, r even. Vlckers 600-70000 en sup. 120 DB 40

APLH :ACIONBS

Ejes de transmisión, bielas poco cargadas, etc. Cojinetes a botillas ClgUellales, bielss, ejes, engranajes

¡~

Temple 960"C agua, reven. 600°C

65

200 DB

Se usan blandos

60

200 DB 1

Elásticos de g randes di· mensiones !

Ejes y piezas con gran rozamlento

Tornlllerla en tornos auto· máticos; despegan bien la viruta Piezas que requieran reslstencla moderada a la CO· rroslón, álabes d• turbinas, instalac. san1tartas Ejes y cuerpos de:bombas, instrumentos, etc.

..

1

160

161

..

electrodo _..-revestido

tierra pza. a soldar

TlG

con electrodo revestido

con electrodo de Tungsteno y gas

carretel de alambre de

==fffre"'~ 1

lll dir. del m011 .

....

fundente

con metal de aporte y gas

MIG MAG

·por arco sume ido

-PROCESOS DE SOLDAOlJRA POR ARCO-

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