PROCESOS DE MANUFACTURA I
Mtro. Gerson Beristain Martínez
METALES Y ALEACIONES FERROSAS
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Introducción
Los metales y las aleaciones ferrosas se encuentran entre los
más útiles de todos los metales gracias a su amplia gama de
propiedades mecánicas, físicas y químicas.
Contiene hierro como metal base y sus categorías generales son
aceros al carbono y aleados, aceros inoxidables, aceros para
matrices y herramientas, hierros y aceros fundidos.
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Las aleaciones ferrosas se producen como:
- Lamina de acero para automóviles, artículos domésticos y
contenedores.
- Placas para calderas, embarcaciones y puentes.
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- Miembros estructurales como vigas I, varillas, ejes, cigüeñales
y rieles para ferrocarril.
- Engranes, herramientas, matrices y moldes.
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- Sujetadores como pernos, remaches y tuercas.
Un auto de pasajeros típico contiene alrededor de 800 kg de
acero, lo que constituye un 55% y 60% de su peso.
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Producción de Hierro y Acero
Los primeros utensilios de hierro fueron descubiertos en Egipto
en el año 3,000 a.C.
Los griegos ya conocían la técnica de producción hacia el
1,000 a.C.
Las aleaciones producidas por los primeros artesanos del hierro
(y, de hecho, todas las aleaciones de hierro fabricadas hasta el
siglo XIV d.C.) se clasificarían en la actualidad como hierro
forjado.
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Minerales de Hierro
Hematites
Pureza: 70%
Magnetita
Pureza: 75%
Materias Primas
Los tres materiales básicos que se utilizan en la fabricación de
hierro y acero son el mineral de hierro, la piedra caliza y el coque.
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Limonita
Pureza: 60%
Siderita
Pureza: 50%
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Localización del mineral
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Las tres materias primas cumplen con funciones básicas en la
fabricación de hierro y acero.
El mineral de hierro es la base para la producción de hierro y
acero.
El coque se obtiene de un carbón suave y sus funciones son
generar el nivel de calor requerido y producir monóxido de
carbono para reducir el óxido del hierro.
La función de la piedra caliza es retirar impurezas actuando
como fundente haciendo que se funda a bajas temperaturas.
También se utiliza para formar la escoria con impurezas.
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El mineral extraído de una mina de fierro puede ser de carga
directa a los altos hornos o puede requerir de un proceso de
peletización para ser utilizado en la producción del acero, esto
según sea su calidad.
Si el mineral posee bajo contenido de impurezas (principalmente
fósforo y azufre), puede ser utilizado para carga directa,
requiriendo sólo tratamientos de molienda y concentración.
Si, por el contrario, el contenido de impurezas es relativamente
alto, se realiza también la molienda y concentración, pero
requiere además de un proceso químico de peletización, donde
se reducen significativamente dichas impurezas.
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Alto horno
El arrabio es el primer producto que se obtiene para transformarlo
en Acero.
Un alto horno es virtualmente una planta química que reduce
continuamente el hierro del mineral. Químicamente desprende el
oxígeno del óxido de hierro existente en el mineral para liberar el
hierro.
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Producción de arrabio
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Proceso de aceración
La palabra acerar significa dar al hierro las propiedades del
acero.
Ejemplo:
- Resistencia al desgaste
- Tenacidad
- Maquinabilidad
- Dureza
El proceso consiste fundamentalmente en refinar el arrabio
(material fundido) en los altos hornos reduciendo el porcentaje de
magnesio, silicio, carbono y otros elementos dejando una
concentración de cerca del 60% de hierro, para después
mandarlo a uno de tres diferentes tipos de hornos.
- Horno de hogar abierto
- Horno eléctrico
- Horno básico de oxigeno
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Hogar abierto:
Se le denomina de esta manera porque contiene en el hogar
(fondo) una especie de piscina larga y poco profunda y la flama
da directamente sobre la carga, por lo que es considerado como
un horno de reverbero.
Aún es importante en la industria pero ha sido remplazado por los
hornos eléctricos y por el proceso básico de oxigeno, que son
más eficientes y producen aceros de mejor calidad.
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Horno eléctrico:
En este tipo de hornos el calor se genera mediante arco eléctrico.
Se le introduce chatarra de acero, el techo se cierra y se bajan los
electrodos estableciendo la conexión y se espera un periodo de 2
horas, el metal se funde y se desconecta la corriente, los
electrodos se elevan y el metal fundido se vacía en una olla de
traslado.
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Horno básico de oxigeno:
La fundición en el horno de oxígeno básico es el proceso de
fabricación de acero mas reciente y mas rápido. Se carga en un
recipiente 200 toneladas de hierro fundido y 90 toneladas de
chatarra. Entonces se sopla oxígeno puro en el horno durante
aproximadamente 20 minutos a través de una lanza (un tubo
largo) enfriada por agua a una presión de aproximadamente 1250
kPa. A través de una tolva de alimentación se agregan productos
fundentes.
La vigorosa agitación del oxígeno refina el metal fundido
mediante un proceso de oxidación, en el cual se produce óxido
de hierro. La lanza es retraída y el horno es vaciado inclinándolo.
La escoria es eliminada inclinando el horno en dirección opuesta.
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Vaciado en Lingotes
El siguiente paso en el proceso de producción de acero consiste
en formar el metal fundido en formas sólidas para su
procesamiento posterior.
El metal fundido se vierte de la olla a los moldes de los lingotes, o
lingoteras, en los que se solidifica el metal. Los lingotes pueden
ser de sección transversal cuadrada, rectangular o redonda y su
peso va de unos cuantos kilos hasta 40 toneladas.
Hoy este proceso se remplaza en gran medida por la colada
continua.
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Colada Continua
Las ineficiencias y los problemas implícitos en la fabricación de
acero en lingotes se remedian mediante el proceso de colada
continua, que produce metal de mejor calidad a costos reducidos.
La colada continua es el proceso que da forma a un objeto al
entrar material líquido y dejar que se solidifique el líquido.
Se llama continua porque el producto sale sin interrupción de la
máquina hasta que la cuchara (o cucharas en caso de coladas
secuenciales) ha vaciado todo el acero líquido que contiene.
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El acero se vacía en el depósito y se distribuye en un molde de
colada continua; se solidifica conforme baja a través del molde.
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Proceso completo
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Aceros al Carbón y Aleados
Los aceros al carbón y aleados son uno de los metales más
utilizados y tienen un amplia variedad de aplicaciones.
El acero es una aleación de hierro con un contenido de carbono
que varia entre el 0.02% y 2.11%. Esta aleación pude contener
otros ingredientes como manganeso, cromo, níquel y molibdeno
dependiendo de su aplicación
Producto Acero Producto Acero
Alambre 1045, 1055 Cadenas 3134, 3140
Engranes 4027, 4032 Pernos 1035, 4042
Tuercas 3130 Resortes 1085, 4063
Tuberías 1040 Rodamientos 52100
Aceros al carbón:
Contienen al carbono como principal elemento de aleación.
Pueden ser de bajo carbono, medio carbono y alto carbono.
A medida que se incrementa el contenido de carbono, aumenta
también la resistencia y la dureza del acero, pero su ductilidad se
reduce.
Aceros al carbono
Bajo Medio Alto
Menos de 0.20%
Fabricación de láminas
para autos, rieles, etc.
Entre 0.2 y 0.50%
Componentes de máquinas
Partes de motores, etc.
Mayores a 0.50%
Resortes, herramientas de corte,
Cuchillas, etc.
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Aceros al bajo carbono: también llamado acero dulce, tiene
menos de 0.20% de carbono. Con frecuencia se utiliza para
productos industriales comunes y para componentes de
maquinas que no requieren alta resistencia.
Aceros al medio carbono: tiene de 0.20% a 0.50% de carbono.
Se utilizan en aplicaciones que requieren una mayor resistencia
como en equipos automotores y agrícolas, equipo ferroviario, etc.
Acero al alto carbono: tiene más de 0.50% de carbono. Se
utiliza en aplicaciones que requieren resistencia, dureza y
resistencia al desgaste como herramientas de corte, cables,
resortes y cuchillería.
Aceros aleados
A los aceros con cantidades significativas de aleados se les llama
aceros aleados, por lo común se fabrican con mayor cuidado que
los aceros al carbono.
Aceros de baja aleación:
También conocidos como aceros de alta resistencia y de baja
aleación (HSLA). Son aleaciones de hierro carbono que
contienen elementos aleantes adicionales en cantidades que
totalizan menos del 5% en peso; entre estos aleantes se
encuentran el cromo, el manganeso, el molibdeno, el níquel y el
vanadio.
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Aceros de Baja aleación
Cromo (Cr)
Manganeso (Mn)
Molibdeno (Mo) Níquel Vanadio
Dureza
Resistencia al desgaste
Dureza en caliente
Resistencia Dureza
Tenacidad
Dureza en caliente
Resistencia
Tenacidad
Inhibe crecimiento
de granos
Resistencia
Tenacidad
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Aceros Inoxidables
Aceros altamente aleados y diseñados para suministrar una alta
resistencia a la corrosión. Su principal componente es el Cromo
(Cr), usualmente arriba del 15%. El cromo forma una capa que
protege al material de la oxidación. Presentan una combinación
de resistencia y ductilidad.
Aceros inoxidables
Austeníticos Ferríticos Martensíticos
18% Cr
8% Ni
Son los más
resistentes
Fabricación de
equipos
15 a 20 % Cr
Bajo Carbón
0% Ni
Magnéticos
Menor resistencia
A la corrosión
Utensilios de cocina
Motores de propulsión
A chorro
18% Cr
Alto contenido de carbono
0% Ni
Resistentes a la fatiga
No muy resistentes a corrosión
Cubertería
Instrumentos quirúrgicos
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Composición de aceros inoxidables
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Uso de aceros inoxidables en los automóviles
Los tipos de aceros inoxidables que generalmente seleccionan
los ingenieros de materiales para usarlos en partes automotrices
son el 301, 409, 430 y 434.
Por su buena resistencia a la corrosión y propiedades mecánicas
el tipo 301 se utiliza en tapones para ruedas.
El tipo 409 se utiliza en convertidores catalíticos.
Anteriormente se utilizaba el 430 para los guardafangos pero no
es tan resistente como el 434 contra las sales.
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Aceros para herramentales
Los aceros para herramentales son aceros aleados
especialmente diseñados para la alta resistencia, tenacidad al
impacto y resistencia al desgaste.
Se utilizan por lo común en el formado y maquinado de metales.
Tipos básicos de aceros para herramentales
Tipo AISIS
De alta velocidad M (base de molibdeno)
T (base de tungsteno)
De trabajado en caliente H1 a H19 (base de cromo)
H20 a H39 (base de tungsteno)
H40 a H59 (base de molibdeno)
De trabajo en frío D (alto carbono, alto cromo)
A (aleación media, alta templabilidad)
O (templabilidad en aceite)
Resistencia al impacto S
Aceros para moldes P1 a P19 (bajo carbono)
P20 a P39 (otros)
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Algunos de los factores que determinan la selección del material
para construir herramientas son:
- El material que se va a maquinar.
- La condición y forma de los materiales que se cortaran.
- La capacidad de producción.
- La maquina herramienta en la que se va a maquinar.
- El acabado superficial.
- Grado de precisión dimensional.
- La rigidez de la maquina herramienta.
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Propiedades de los materiales para construir herramientas
Tres importantes propiedades determinan la conveniencia de un
material para herramienta de corte en una determinada aplicación
de corte.
1.- Capacidad de resistencia al desgaste. Esta propiedad es
necesaria para permitir que la herramienta de corte conserve su
forma y eficiencia de corte.
.
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2.- Dureza al rojo de un material para herramienta. Esta es la
propiedad de una herramienta para conservar su dureza a altas
temperaturas.
Durante el corte se generan temperaturas del orden de los 550 °C
por lo cual la herramienta no debe perder sus dureza a altas
temperaturas.
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3.- Tenacidad. La herramienta debe contar con la resistencia para
soportar ciertas fuerzas, como los impactos asociados con los
cortes intermitentes, y para evitar el despostillamiento de la fina
arista de corte.
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Clasificación de los materiales para herramientas
Los materiales disponibles para fabricar herramientas de corte se
clasifican de la siguiente manera:
• Aceros al alto carbono.
• Aceros de alta velocidad.
• Estelita.
• Carburos de tungsteno.
• Cerámicas.
• Aleaciones no ferrosas.
• Diamante.
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Aceros al alto carbono.
Los aceros para herramientas generalmente contienen del 0.70 a
1.5 % de carbono y sus propiedades varían según el porcentaje
que contengan de este elemento.
Los aceros de alto carbono se pueden dividir en dos clases:
a) Para herramientas endurecidas al aceita.
a) Para herramientas endurecidas al agua.
Estas dos clasificaciones dependen del
método de enfriamiento rápido durante
el tratamiento térmico.
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Porcentaje
de Carbono
Aplicaciones
0.75 – 1.0 Cinceles en frío, herramientas para prensas,
llaves, mordazas de tornillo de banco, puntas
para brocas neumáticas.
1.0 – 1.1 Machuelos grandes, escariadores, herramientas
para madera, mandriles.
1.15 Brocas, escariadores, machuelos pequeños,
brocas helicoidales, hojas para cizallas.
1.3 Herramientas para torneado, limas, hojas para
cizallas.
1.4 Limas, navajas, sierras, dados para estirados de
alambre.
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Aceros de alta velocidad.
Los aceros de alta velocidad común mente llamados HSS son
aceros aleados especialmente diseñados para alta resistencia,
tenacidad al impacto y resistencia al desgaste.
Desarrollados a principios de 1900, mantienen su dureza y
resistencia a elevadas temperaturas.
Se utilizan por lo común en el formado y maquinado de metales.
Existen dos tipos básicos de aceros de alta velocidad:
• El tipo molibdeno (series M)
• El tipo tungsteno ( series T)
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Estelita
Es un material no ferroso para fabricar herramientas de corte. Sus
principales constituyentes son cobalto, tungsteno, cromo y
carbono.
El nombre estelita deriva de la palabra stella, porque proporciona
un brillo muy alto cuando se pule. Después de darle forma
fundiéndola, la estelita no necesita tratamiento térmico.
Se utiliza en forma de insertos para herramientas de torneado. La
estelita resiste cargas de impacto mejor que los carburos y
también se pueden soldar.
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Carburos de tungsteno cementados
El tungsteno forma la base de casi todas las aleaciones para
fabricar herramientas de corte.
Estas herramientas dan un mejor acabado a los trabajos y
necesitan rectificarse con menos frecuencia que los aceros de
alta velocidad.
Todas las herramientas de corte de carburo tienen muy buena
dureza al rojo y pueden conservar su arista de corte hasta a una
temperatura de 1200 °C.
Cerámicas
A los óxidos o carburos cementados, como el óxido de magnesio,
óxido de aluminio, carburos de silicio, carburos de boro, carburos
de titanio.
Las herramientas cerámicas se desarrollaron durante la Segunda
Guerra Mundial debido a la escasez de carburo de tungsteno.
Ventajas Desventajas Precauciones
Mayor velocidad de
maquinado en
comparación con los
carburos.
Las cerámicas son
materiales quebradizos.
Deben sujetarse
firmemente al
portaherramientas.
Pueden maquinar un
amplia gama de
materiales.
Tienen baja tenacidad y
poca resistencia al
impacto.
La pieza de trabajo debe
sujetarse rígidamente.
Se pueden utilizar para
desbaste así como para
cortes finos.
No son adecuadas para la
soldadura.
La maquina no debe de
tener vibraciones.
El corte de aceros
endurecidos es más fácil.
Mejores acabados. Mtro. Gerson Beristain Martínez
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Diamante
El diamante es la sustancia más dura que se conoce y ofrece una
gran resistencia a la abrasión.
Es tan costoso que su utilización en maquinado de metales no es
económica, por lo cual sólo se utiliza en circunstancias
especiales.
Se emplea ampliamente para cortar materiales duros que no se
pueden cortar con otras herramientas de corte. El diamante es
adecuado para cortar a muy altas velocidades.
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