Esta obra fue diseñada para un curso sobre manufactura en
el nivel básico de los programas de ingeniería mecánica,
industrial y de manufactura. También puede ser apropiado
para los programas de tecnología relacionados con estas
disciplinas de ingeniería.
De la presente obra podemos destacar los siguientes temas:
• Materiales de ingeniería
• Sistemas de producción y procesos de manufactura
• Un mayor énfasis en la ciencia de la manufactura y el
modelado matemático de procesos
Estos temas nos brindan una cobertura completa de los
cursos enfocados en los procesos de manufactura.
978-607-15-1208-6
Mikell P. Groover
Profesor Emérito de Ingeniería Industrial y en Sistemas
Lehigh University
Revisión técnica
Jorge E. Aguirre Aguilar
Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey,
Campus Estado de México
Ulises Figueroa López
Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey,
Campus Estado de México
Francisco Javier Sandoval Palafox
Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey,
Campus Estado de México
MÉXICO • BOGOTÁ • BUENOS AIRES • CARACAS • GUATEMALA • MADRID • NUEVA YORK
SAN JUAN • SANTIAGO • SAO PAULO • AUCKLAND • LONDRES • MILÁN • MONTREAL
NUEVA DELHI • SAN FRANCISCO • SINGAPUR • ST. LOUIS • SIDNEY • TORONTO
Director general: Miguel Ángel Toledo Castellanos
Coordinador sponsor: Jesús Mares Chacón
Coordinadora editorial: Marcela I. Rocha Martínez
Editora de desarrollo: Ana L. Delgado Rodríguez
Supervisor de producción: Cristina Tapia Montes de Oca
Traducción: Jesús Elmer Murrieta Murrieta
Prohibida la reproducción total o parcial de esta obra,
por cualquier medio, sin la autorización escrita del editor.
DERECHOS RESERVADOS © 2014 respecto a la primera edición en español por
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Miembro de la Cámara Nacional de la Industria Editorial Mexicana, Reg. Núm. 736
ISBN: 978-607-15-1208-6
Traducido de la primera edición en inglés de Introduction to Manufacturing Processes, de Mikell P. Groover.
Copyright © 2012 por John Wiley & Sons, Inc. Todos los derechos reservados.
ISBN: 978-0-470-63228-4
ARR 05/14
1234567890
2356789014
Impreso en México
Printed in Mexico
Contenido
Prefacio xiii
Acerca del autor xiv
Agradecimientos xv
Capítulo 1
Introducción y panorama general
de la manufactura 1
1.1
¿Qué es la manufactura? 2
1.1.1 Definición de manufactura 2
1.1.2 Las industrias manufactureras y sus
productos 3
1.1.3 Capacidad de manufactura 5
1.1.4 Los materiales en la manufactura 6
1.2
Procesos de manufactura 8
1.2.1 Operaciones de proceso 8
1.2.2 Operaciones de ensamble 12
1.2.3 Máquinas de producción y herramientas
1.3
Organización del libro 13
Referencias 14
Preguntas de repaso 14
Parte I
Materiales en la ingeniería
y atributos del producto 15
Capítulo 2
Materiales en la ingeniería 15
2.1
Metales y sus aleaciones 16
2.1.1 Aceros 17
2.1.2 Hierros fundidos 22
2.1.3 Metales no ferrosos 23
2.1.4 Superaleaciones 27
2.2
Cerámicos 28
2.2.1 Cerámicos tradicionales 29
2.2.2 Nuevos materiales cerámicos 30
2.2.3 Vidrio 32
2.3
Polímeros 34
2.3.1 Polímeros termoplásticos 37
2.3.2 Polímeros termofijos 38
2.3.3 Elastómeros 39
2.4
Compósitos 41
2.4.1 Tecnología y clasificación
de los materiales compósitos 42
2.4.2 Materiales compósitos 44
Referencias 46
Preguntas de repaso 46
12
Capítulo 3
Propiedades de los materiales de ingeniería 48
3.1 Relaciones esfuerzo-deformación 49
3.1.1 Propiedades a la tensión 49
3.1.2 Propiedades ante la compresión 56
3.1.3 Doblado y prueba de materiales frágiles 58
3.1.4 Propiedades al cortante 59
3.2
Dureza 61
3.2.1 Pruebas de dureza 61
3.2.2 Dureza de distintos materiales 63
3.3
Efecto de la temperatura sobre
las propiedades mecánicas 64
3.4
Propiedades de los fluidos 66
3.5
Comportamiento viscoelástico de los
polímeros 68
3.6
Propiedades volumétricas y de fusión 70
3.6.1 Densidad y expansión térmica 71
3.6.2 Características de fusión 72
3.7
Propiedades térmicas 73
3.7.1 Calor específico y conductividad térmica 73
3.7.2 Propiedades térmicas en la manufactura 74
Referencias 75
Preguntas de repaso 75
Problemas 76
Capítulo 4
Dimensiones, tolerancias y superficies 78
4.1
Dimensiones y tolerancias 78
4.1.1 Dimensiones y tolerancias 79
4.1.2 Otros atributos geométricos 79
4.2
Superficies 79
4.2.1 Características de las superficies 80
4.2.2 Textura de la superficie 81
4.2.3 Integridad de la superficie 83
4.3
Efecto de los procesos de manufactura 84
Referencias 85
Preguntas de repaso 86
Apéndice A4:
Medición de dimensiones y superficies 87
A4.1 Instrumentos de medición
y calibradores convencionales 87
A4.1.1 Bloques calibradores de precisión 87
A4.1.2 Instrumentos de medición para
dimensiones lineales 88
A4.1.3 Instrumentos comparativos 90
A4.1.4 Mediciones angulares 91
A4.2 Mediciones de superficies 91
vi Contenido
A4.2.1 Medición de la rugosidad
de la superficie 91
A4.2.2 Evaluación de la integridad
de la superficie 92
Parte II
Procesos de solidificación
93
Capítulo 5
Fundamentos de la fundición de metales 93
5.1
Panorama de la tecnología de fundición 94
5.1.1 Procesos de fundición 94
5.1.2 Moldes para fundición en arena 96
5.2
Calentamiento y vertido 96
5.2.1 Calentamiento del metal 97
5.2.2 Vertido del metal fundido 97
5.2.3 Análisis de ingeniería del vertido 98
5.3
Solidificación y enfriamiento 99
5.3.1 Solidificación de los metales 99
5.3.2 Tiempo de solidificación 102
5.3.3 Contracción 103
5.3.4 Solidificación direccional 104
5.3.5 Diseño de la mazarota 105
Referencias 106
Preguntas de repaso 106
Problemas 107
Capítulo 6
Procesos de fundición de metales 108
6.1
Fundición en arena 108
6.1.1 Modelos y corazones 109
6.1.2 Moldes y su fabricación 110
6.1.3 La operación de fundición 112
6.2
Otros procesos de fundición con moldes
desechables 112
6.2.1 Moldeo en cáscara 112
6.2.2 Procesos de poliestireno expandido 113
6.2.3 Fundición por revestimiento 114
6.2.4 Fundición con moldes de yeso y material
cerámico 116
6.3
Procesos de fundición con moldes
permanentes 117
6.3.1 El proceso básico con moldes
permanentes 117
6.3.2 Variaciones de la fundición con moldes
permanentes 117
6.3.3 Fundición en dados 119
6.3.4 Fundición por dado impresor y fundición de
metales semisólidos 121
6.3.5 Fundición centrífuga 122
6.4
La práctica de la fundición 124
6.4.1 Hornos 124
6.4.2 Vaciado, limpieza y tratamiento
térmico 126
6.5
Calidad de la fundición 127
6.6
Metales para fundición 130
6.7
Consideraciones sobre el diseño del producto 131
Referencias 133
Preguntas de repaso 133
Problemas 133
Capítulo 7
Trabajo del vidrio 135
7.1
Preparación y fusión de las materias primas 135
7.2
Procesos de moldeo durante el trabajado
del vidrio 136
7.2.1 Moldeo de artículos de vidrio 136
7.2.2 Moldeo de vidrio plano y tubular 139
7.2.3 Formado de fibras de vidrio 140
7.3
Tratamiento térmico y acabado 140
7.3.1 Tratamiento térmico 141
7.3.2 Acabado 142
7.4
Consideraciones sobre el diseño del producto 142
Referencias 143
Preguntas de repaso 143
Capítulo 8
Procesos para dar forma a los plásticos 144
8.1 Propiedades de los polímeros fundidos 145
8.2 Extrusión 147
8.2.1 Proceso y equipo 147
8.2.2 Análisis de la extrusión 149
8.2.3 Configuraciones del dado y productos
extruidos 153
8.2.4 Defectos de la extrusión 155
8.3 Producción de láminas y película 156
8.4 Producción de fibras y filamentos (hilado) 159
8.5 Procesos de recubrimiento 161
8.6 Moldeo por inyección 161
8.6.1 Proceso y equipo 162
8.6.2 El molde 163
8.6.3 Contracción y defectos en el moldeo por
inyección 165
8.6.4 Otros procesos del moldeo por
inyección 167
8.7 Moldeo por compresión y transferencia 168
8.7.1 Moldeo por compresión 169
8.7.2 Moldeo por transferencia 170
8.8 Moldeo por soplado y moldeo rotacional 170
8.8.1 Moldeo por soplado 171
8.8.2 Moldeo rotacional 174
8.9 Termoformado 176
8.10 Fundición 179
8.11Procesamiento y formado de espuma de
polímero 179
8.12Consideraciones sobre el diseño del
producto 181
Referencias 183
Preguntas de repaso 183
Problemas 184
Contenido vii
Capítulo 9
Procesos para dar forma al hule y a los materiales
compósitos de matriz polimérica (PMC) 185
9.1
Procesamiento y formado del hule 186
9.1.1 Producción de hule 186
9.1.2 Composición 187
9.1.3 Mezclado 187
9.1.4 Formación y procesos relacionados 188
9.1.5 Vulcanización 190
9.2
Manufactura de neumáticos
y otros productos de hule 191
9.2.1 Neumáticos 191
9.2.2 Otros productos de hule 194
9.2.3 Procesamiento de elastómeros
termoplásticos 194
9.3
Materiales y procesos para dar forma
a los PMC 194
9.3.1 Materias primas para PMC 195
9.3.2 Combinación de la matriz
y el refuerzo 196
9.4
Procesos con molde abierto 197
9.4.1 Aplicado manual 198
9.4.2 Aplicado por aspersión 199
9.4.3 Máquinas de aplicación automatizada con
cinta 200
9.4.4 Curado 200
9.5
Procesos con molde cerrado 201
9.5.1 Procesos de moldeo por compresión
para PMC 201
9.5.2 Procesos de moldeo por transferencia
para PMC 202
9.5.3 Procesos de moldeo por inyección
para PMC 202
9.6
Bobinado de filamentos 203
9.7
Procesos de pultrusión 204
9.7.1 Pultrusión 204
9.7.2 Pulformado 205
9.8
Otros procesos de formado para PMC 205
Referencias 207
Preguntas de repaso 207
Parte III
Procesamiento de partículas
para metales y cerámicos 209
Capítulo 10
Metalurgia de polvos 209
10.1 Producción de polvos metálicos 211
10.1.1 Atomización 211
10.1.2 Otros métodos de producción 211
10.2 Prensado convencional y sinterizado 213
10.2.1 Mezclado y mezclado combinado de
polvos 213
10.2.2 Compactación 214
10.2.3 Sinterizado 216
10.2.4 Operaciones secundarias 217
10.3
Alternativas de prensado
y técnicas de sinterizado 218
10.3.1 Prensado isostático 218
10.3.2 Moldeo por inyección de polvos 219
10.3.3 Laminado, extruido y forjado
de polvos 220
10.3.4 Combinación de prensado y
sinterizado 221
10.3.5 Sinterizado en fase líquida 221
10.4 Materiales y productos
para metalurgia de polvos 221
10.5 Consideraciones de diseño
en metalurgia de polvos 222
Referencias 225
Preguntas de repaso 225
Problemas 226
Apéndice A10:
Características de los polvos en ingeniería
A10.1 Características geométricas 227
A10.2 Otras características 229
227
Capítulo 11
Procesamiento de cerámicos y cermets 231
11.1 Procesamiento de cerámicos
tradicionales 231
11.1.1 Preparación de las materias primas 232
11.1.2 Procesos para dar forma 234
11.1.3 Secado 237
11.1.4 Cocimiento (sinterizado) 238
11.2 Procesamiento de cerámicos nuevos 238
11.2.1 Preparación de materiales iniciales 238
11.2.2 Formado 239
11.2.3 Sinterizado 240
11.2.4 Acabado 241
11.3 Procesamiento de cermets 241
11.3.1 Carburos cementados 241
11.3.2 Otros cermets y compósitos
de matriz de cerámico 243
11.4 Consideraciones para el diseño
de productos 243
Referencias 244
Preguntas de repaso 244
Parte IV
Formado de metal y conformado
de láminas metálicas 245
Capítulo 12
Fundamentos del formado de metales 245
12.1 Panorama del formado de metales 245
12.2 Comportamiento del material
en el formado de metales 248
12.3 Temperatura en el formado de metales 249
viii Contenido
12.4
Fricción y lubricación en el formado
de metales 251
Referencias 252
Preguntas de repaso 252
Problemas 253
Capítulo 13
Procesos de deformación volumétrica
en el trabajo de metales 254
13.1 Laminación 255
13.1.1 Laminación plana y su análisis 256
13.1.2 Laminación de perfiles 260
13.1.3 Molinos laminadores 261
13.1.4 Otros procesos de deformación
relacionados con el laminado 262
13.2 Forjado 264
13.2.1 Forjado en dado abierto 265
13.2.2 Forjado con dado impresor 268
13.2.3 Forjado sin rebaba 269
13.2.4 Dados de forjado, martinetes
y prensas 270
13.2.5 Otros procesos relacionados
con el forjado 273
13.3 Extrusión 276
13.3.1 Tipos de extrusión 276
13.3.2 Análisis de la extrusión 279
13.3.3 Dados y prensas de extrusión 282
13.3.4 Otros procesos de extrusión 284
13.3.5 Defectos en productos extruidos 285
13.4 Trefilado de alambres y barras 286
13.4.1 Análisis del trefilado 287
13.4.2 Práctica del trefilado 289
Referencias 291
Preguntas de repaso 292
Problemas 292
Capítulo 14
Conformado de láminas metálicas 296
14.1 Operaciones de corte 297
14.1.1 Cizallado, troquelado y punzonado 298
14.1.2 Análisis de ingeniería del corte
de láminas metálicas 298
14.1.3 Otras operaciones de corte
de láminas metálicas 301
14.2 Operaciones de doblado 302
14.2.1 Doblado en V y doblado de bordes 303
14.2.2 Análisis de la ingeniería
del doblado 303
14.2.3 Otras operaciones de doblado
y formado 305
14.3 Embutido 306
14.3.1 Mecánica del embutido 306
14.3.2 Análisis de ingeniería
del embutido 309
14.3.3 Otras operaciones de embutido 311
14.3.4 Defectos del embutido 312
14.4 Otras operaciones de formado de láminas
metálicas 312
14.4.1 Operaciones realizadas con herramientas
metálicas 312
14.4.2 Procesos de formado con caucho 314
14.5 Dados y prensas para procesos
con láminas metálicas 315
14.5.1 Troqueles y matrices 315
14.5.2 Prensas 317
14.6 Operaciones con láminas metálicas
no realizadas en prensas 320
14.6.1 Formado por estirado 320
14.6.2 Doblado y formado con rodillos 321
14.6.3 Rechazado 322
14.6.4 Formado por alta tasa de energía 323
Referencias 324
Preguntas de repaso 325
Problemas 325
Parte V
Procesos de remoción de material
327
Capítulo 15
Teoría del maquinado de metales 327
15.1 Panorama general de la tecnología
del maquinado 329
15.2 Teoría de la formación de viruta
en el maquinado de metales 332
15.2.1 Modelo de corte ortogonal 332
15.2.2 Formación real de la viruta 334
15.3 Relaciones de fuerza
y la ecuación de Merchant 336
15.3.1 Fuerzas en el corte de metales 336
15.3.2 La ecuación de Merchant 338
15.4 Relaciones entre potencia y energía
en el maquinado 341
15.5 Temperatura de corte 343
15.5.1 Métodos analíticos para el cálculo
de la temperatura de corte 343
15.5.2 Medición de la temperatura
de corte 344
Referencias 345
Preguntas de repaso 345
Problemas 346
Capítulo 16
Operaciones de maquinado
y máquinas herramienta 348
16.1 Maquinado y geometría de las piezas
16.2 Torneado y operaciones afines 351
16.2.1 Condiciones de corte
en el torneado 351
348
Contenido ix
16.2.2 Operaciones relacionadas con el
torneado 352
16.2.3 El torno mecánico 354
16.2.4 Otros tornos y máquinas
de torneado 356
16.2.5 Máquinas mandrinadoras 357
16.3 Taladrado y operaciones afines 359
16.3.1 Condiciones de corte
en el taladrado 360
16.3.2 Operaciones relacionadas
con el taladrado 361
16.3.3 Taladros 362
16.4 Fresado 363
16.4.1 Tipos de operaciones de fresado 363
16.4.2 Condiciones de corte en fresado 366
16.4.3 Fresadoras 368
16.5 Centros de maquinado y centros
de torneado 370
16.6 Otras operaciones de maquinado 372
16.6.1 Cepillado 372
16.6.2 Brochado 374
16.6.3 Aserrado 375
16.7 Maquinado de alta velocidad 377
16.8 Tolerancias y acabado superficial 378
16.8.1 Tolerancias en maquinado 378
16.8.2 Acabado superficial
en maquinado 379
16.9 Consideraciones para el diseño
del producto en maquinado 382
Referencias 384
Preguntas de repaso 384
Problemas 385
Capítulo 17
Tecnología de las herramientas de corte
y temas relacionados 387
17.1 Vida de las herramientas 387
17.1.1 Desgaste de la herramienta 388
17.1.2 Vida de la herramienta
y la ecuación de Taylor 389
17.2 Materiales para herramientas 393
17.2.1 Aceros de alta velocidad y sus
predecesores 395
17.2.2 Aleaciones fundidas de cobalto 396
17.2.3 Carburos cementados, cermets
y carburos recubiertos 397
17.2.4 Cerámicos 399
17.2.5 Diamantes sintéticos y nitruro
de boro cúbico 400
17.3 Geometría de las herramientas 400
17.3.1 Geometría de las herramientas
de una punta 401
17.3.2 Herramientas de múltiples filos
cortantes 404
17.4
Fluidos de corte 406
17.4.1 Tipos de fluidos de corte 407
17.4.2 Aplicación de los fluidos de corte 408
17.5 Maquinabilidad 409
17.6 Economía del maquinado 411
17.6.1 Selección del avance
y de la profundidad de corte 411
17.6.2 Velocidad de corte 412
Referencias 417
Preguntas de repaso 418
Problemas 418
Capítulo 18
Rectificado y otros procesos abrasivos 422
18.1 Rectificado 422
18.1.1 La piedra abrasiva 423
18.1.2 Análisis del proceso de rectificado 426
18.1.3 Consideraciones en la aplicación del
rectificado 432
18.1.4 Operaciones de rectificado
y rectificadoras 433
18.2 Procesos abrasivos relacionados 439
18.2.1 Asentado 439
18.2.2 Lapeado 440
18.2.3 Superacabado 441
18.2.4 Pulido y abrillantado 441
Referencias 442
Preguntas de repaso 443
Problemas 443
Capítulo 19
Procesos de maquinado no tradicionales 445
19.1 Procesos de energía mecánica 446
19.1.1 Maquinado ultrasónico 446
19.1.2 Procesos con chorro de agua 447
19.1.3 Otros procesos abrasivos no
tradicionales 448
19.2 Procesos de maquinado electroquímico 449
19.2.1 Maquinado electroquímico 449
19.2.2 Desbarbado y rectificado
electroquímico 452
19.3 Procesos de energía térmica 453
19.3.1 Procesos con descarga eléctrica
(electroerosión) 453
19.3.2 Maquinado con haz de electrones 456
19.3.3 Maquinado con haz láser 457
19.4 Maquinado químico 458
19.4.1 Mecánica y química
del maquinado químico 458
19.4.2 Procesos de maquinado químico 460
19.5 Consideraciones para la aplicación 463
Referencias 464
Preguntas de repaso 465
Problemas 465
x Contenido
Parte VI
Operaciones para la mejora de propiedades
y el procesamiento superficial 467
Capítulo 20
Tratamiento térmico de metales 467
20.1 Recocido 468
20.2 Formación de martensita en el acero 468
20.2.1 Curva tiempo-temperaturatransformación 469
20.2.2 Procesos del tratamiento térmico 470
20.2.3 Templabilidad 471
20.3 Endurecimiento por precipitación 471
20.4 Endurecimiento superficial 473
Referencias 474
Preguntas de repaso 474
Capítulo 21
Operaciones de procesamiento superficial 475
21.1 Procesos de limpieza industrial 476
21.1.1 Limpieza química 476
21.1.2 Limpieza mecánica
y tratamientos superficiales 477
21.2 Difusión e implantación iónica 479
21.2.1 Difusión 479
21.2.2 Implantación iónica 479
21.3 Deposición y procesos relacionados 480
21.3.1 Electrodeposición 480
21.3.2 Electroformado 482
21.3.3 Deposición no electrolítica 482
21.3.4 Inmersión en caliente 483
21.4 Recubrimientos por conversión 483
21.4.1 Recubrimientos
por conversión química 484
21.4.2 Anodizado 484
21.5 Procesos por deposición de vapor 484
21.5.1 Deposición física de vapor 485
21.5.2 Deposición química de vapor 487
21.6 Recubrimientos orgánicos 489
21.6.1 Métodos de aplicación 490
21.6.2 Pulvirrecubrimiento 491
Referencias 492
Preguntas de repaso 492
Problemas 492
Parte VII
Procesos de unión y ensamble
495
Capítulo 22
Fundamentos de soldadura 495
22.1 Perspectiva de la tecnología
de la soldadura 496
22.1.1 Tipos de procesos de soldadura
22.1.2 La soldadura como
una operación comercial 497
496
22.2
Unión soldada 498
22.2.1 Tipos de uniones 499
22.2.2 Tipos de soldaduras 499
22.3 Física de la soldadura 501
22.3.1 Densidad de potencia 501
22.3.2 Equilibrio de calor en la soldadura
por fusión 503
22.4 Características de una junta soldada
por fusión 505
Referencias 506
Preguntas de repaso 506
Problemas 506
Capítulo 23
Procesos de soldadura 508
23.1 Soldadura con arco 508
23.1.1 Tecnología general de la
soldadura con arco 509
23.1.2 Procesos de AW, electrodos
consumibles 511
23.1.3 Procesos de AW, electrodos
no consumibles 515
23.2 Soldadura por resistencia 516
23.2.1 Fuente de potencia en la soldadura
por resistencia 516
23.2.2 Procesos de soldadura por resistencia 517
23.3 Soldadura con gas oxicombustible 521
23.3.1 Soldadura con oxiacetileno 521
23.3.2 Gases alternativos para la soldadura con
gas oxicombustible 522
23.4 Otros procesos de soldadura por fusión 523
23.5 Soldadura de estado sólido 525
23.5.1 Consideraciones generales
en la soldadura de estado sólido 526
23.5.2 Procesos de soldadura de estado
sólido 526
23.6 Calidad de la soldadura 531
23.7 Consideraciones de diseño
en la soldadura 534
Referencias 535
Preguntas de repaso 535
Problemas 536
Capítulo 24
Soldadura fuerte, soldadura blanda
y pegado adhesivo 538
24.1 Soldadura fuerte 538
24.1.1 Uniones con soldadura fuerte 539
24.1.2 Metales de aporte y fundentes 541
24.1.3 Métodos de soldadura fuerte 541
24.2 Soldadura blanda 543
24.2.1 Diseños de uniones
en la soldadura blanda 544
24.2.2 Soldantes y fundentes 544
24.2.3 Métodos para soldadura blanda 546
Contenido xi
24.3
Pegado adhesivo 547
24.3.1 Diseño de uniones 548
24.3.2 Tipos de adhesivos 549
24.3.3 Tecnología de aplicación
de los adhesivos 550
Referencias 551
Preguntas de repaso 551
27.2
Capítulo 25
Ensamble mecánico 552
25.1 Elementos roscados 553
25.1.1 Tornillos, pernos y tuercas 553
25.1.2 Otros elementos roscados
y equipo relacionado 554
25.1.3 Esfuerzos y resistencias
en las uniones con pernos 555
25.1.4 Herramientas y métodos para
ensamblar elementos roscados 557
25.2 Remaches 558
25.3 Métodos de ensamble basados
en ajustes por interferencia 559
25.4 Otros métodos de sujeción mecánica 561
25.5 Insertos en moldeado y sujetadores
integrales 562
25.6 Diseño para ensambles 563
25.6.1 Principios generales del DFA 563
25.6.2 Diseño para ensamble automatizado 565
Referencias 566
Preguntas de repaso 566
Problemas 566
Parte VIII
Procesamiento especial
y tecnologías de ensamble 569
Capítulo 26
Prototipado rápido 569
26.1 Fundamentos del prototipado rápido 570
26.2 Tecnologías para el prototipado rápido 571
26.2.1 Sistemas de prototipado rápido
basados en líquidos 571
26.2.2 Sistemas de prototipado rápido
basados en sólidos 574
26.2.3 Sistemas de prototipado rápido
basados en polvos 576
26.3 Aspectos de la aplicación
en el prototipado rápido 577
Referencias 579
Preguntas de repaso 579
Capítulo 27
Tecnologías de microfabricación
y nanofabricación 580
27.1 Productos de microsistemas 581
27.1.1 Tipos de dispositivos de
microsistema 581
27.1.2 Aplicaciones de microsistemas
582
Procesos de microfabricación 583
27.2.1 Procesos con capas de silicio 584
27.2.2 Proceso LIGA 586
27.2.3 Otros procesos
de microfabricación 588
27.3 Productos de nanotecnología 591
27.4 Microscopios de sonda de barrido 593
27.5 Procesos de nanofabricación 594
27.5.1 Enfoques de procesamiento
de lo general a lo particular 594
27.5.2 Enfoques de procesamiento
de lo particular a lo general 595
Referencias 599
Preguntas de repaso 600
Parte IX
Tópicos de sistemas
para la manufactura 601
Capítulo 28
Sistemas de producción y planeación
de procesos 601
28.1 Panorama general de los sistemas
de producción 601
28.1.1 Instalaciones de producción 602
28.1.2 Sistemas de soporte para la
manufactura 604
28.2 Planeación de procesos 605
28.2.1 Planeación tradicional de procesos 605
28.2.2 Decisión entre hacer o comprar 609
28.2.3 Planeación de procesos asistida por
computadora 610
28.2.4 Solución de problemas y mejora
continua 612
28.3 Ingeniería concurrente y diseño
para manufactura 612
28.3.1 Diseño para manufactura y ensamble 613
28.3.2 Ingeniería concurrente 614
Referencias 615
Preguntas de repaso 616
Capítulo 29
Estudio de la automatización
y los sistemas de manufactura 617
29.1 Control numérico computarizado 618
29.1.1 Tecnología para el control numérico 618
29.1.2 Análisis de los sistemas
de posicionamiento para el CN 620
29.1.3 Programación de piezas en CN 625
29.1.4 Aplicaciones del control numérico 626
29.2 Manufactura celular 627
29.2.1 Familias de partes 627
29.2.2 Celdas de manufactura 628
29.3 Sistemas y celdas flexibles de manufactura 631
29.3.1 Integración de los componentes
de un FMS 631
xii Contenido
29.3.2 Aplicaciones de los sistemas flexibles
de manufactura 634
29.4 Producción esbelta 634
29.4.1 Sistemas de producción de justo a
tiempo 635
29.4.2 Otros enfoques en la producción
esbelta 636
29.5 Manufactura integrada por computadora 637
Referencias 639
Preguntas de repaso 639
Problemas 640
Capítulo 30
Control de calidad e inspección 642
30.1 Calidad del producto 642
30.2 Capacidad del proceso y tolerancias 643
30.3 Control estadístico de procesos 644
30.3.1 Gráficas de control por variables 645
30.3.2 Gráficas de control por atributos 646
30.3.3 Interpretación de las gráficas 648
30.4 Programas de calidad en la manufactura 648
30.4.1 Administración de la calidad total 649
30.4.2 Seis Sigma 649
30.4.3 ISO 9000 652
30.5 Principios de inspección 652
30.6 Tecnologías modernas de inspección 654
30.6.1 Máquinas de medición
de coordenadas 654
30.6.2 Visión máquina 655
30.6.3 Otras técnicas de inspección
sin contacto 657
Referencias 658
Preguntas de repaso 658
Problemas 659
Prefacio
Introducción a los procesos de manufactura está diseñado para un primer curso sobre manufactura en el nivel básico de los programas de ingeniería mecánica, industrial y de manufactura.
También puede ser apropiado para los programas de tecnología relacionados con estas disciplinas
de ingeniería. El texto se basa en gran parte en mi otro libro sobre manufactura, Fundamentos de
manufactura moderna: materiales, procesos y sistemas. Ese libro tiene una longitud aproximada de 1 000 páginas, y compite con otros libros de texto de manufactura que también son muy
largos. En ocasiones, ha habido quejas coincidentes acerca de que estos libros incluyen más
contenido del que es posible cubrir en un curso de un semestre. El argumento en contra de estas
quejas es que dichos volúmenes muy amplios servirán como referencias valiosas para los estudiantes en su futuro profesional, suponiendo que ejercerán sus profesiones en el ámbito del diseño y/o la manufactura.
Con este nuevo libro tratamos de proporcionar una oferta significativamente más corta que
los otros textos (alrededor de 700 páginas en relación con las más de 1 000 páginas). Para decidir
sobre la cobertura de este texto, se realizó una encuesta entre los profesores que han adoptado el
libro de Fundamentos… o alguno de sus competidores, a fin de determinar qué temas se consideran más importantes en sus respectivos cursos. Con base en los resultados de la encuesta, desarrollamos el contenido temático del presente libro, que se centra en los procesos de manufactura. La cobertura de los materiales de ingeniería se ha reducido de ocho capítulos a dos, y la
cobertura de los sistemas de producción se ha reducido de cinco capítulos a tres. Los dos capítulos que tratan de la fabricación de productos electrónicos se han eliminado debido a que nuestro
estudio mostró que muchos profesores de ingeniería mecánica no sienten la necesidad de incluir
este tema en sus cursos. Por último, hay varios casos en los que combiné capítulos. Todos estos
cambios han dado lugar a un nuevo libro que contiene un total de 30 capítulos, en comparación
con los 42 capítulos de la última edición del libro Fundamentos.
Los capítulos sobre procesos de manufactura se han tomado casi literalmente de Fundamentos. En algunos casos he reducido la cobertura omitiendo ciertos procesos o detalles acerca de los
procesos que parecían apropiados para el texto más completo, pero no para esta versión introductora. El énfasis en la ciencia de la manufactura y el modelado matemático de procesos sigue
siendo un importante atributo del nuevo libro. Los lectores podrán ver que se han eliminado las
“Notas históricas” y las preguntas de opción múltiple al final de cada capítulo del nuevo libro. Se
han conservado las preguntas de repaso y los problemas al final de cada capítulo, pero el número
de problemas se ha reducido. Todos estos cambios se han hecho para disminuir el número de
páginas, lo que se traduce en un libro de texto que incluye la mayor parte de los temas que cubre
la mayoría de los profesores que imparten cursos en manufactura. Para los profesores que requieran un estudio más amplio de los temas incluidos en este nuevo libro, esperamos que sigan adoptando el libro Fundamentos.
Acerca del autor
Mikell P. Groover es profesor emérito de Ingeniería Industrial y en Sistemas en Lehigh University. Obtuvo grados de B.A. en Ciencias y Artes (1961), B.S. en Ingeniería Mecánica (1962),
M.S. en Ingeniería Industrial (1966) y Ph. D. (1969), todos en Lehigh. Es ingeniero profesional
registrado en Pennsylvania. Su experiencia industrial incluye varios años como ingeniero de
manufactura en Eastman Kodak Company. Desde que ingresó a Lehigh ha efectuado trabajos
de consultoría, investigación y proyectos para varias compañías industriales.
Sus áreas de investigación y enseñanza incluyen procesos de manufactura, sistemas de producción, automatización, manejo de materiales, planificación de instalaciones y sistemas de trabajo. Ha obtenido varios premios por su enseñanza en Lehigh University, así como el Albert G.
Holzman Outstanding Educator Award, del Institute of Industrial Engineers (1965) y el SME
Education Award, de la Society of Manufacturing Engineers (2001). Es miembro del IIE (1987)
y de la SMR (1996). Entre sus publicaciones están 75 artículos técnicos y siete libros (que se
mencionan más adelante). Sus textos se emplean en todo el mundo y han sido traducidos al francés, alemán, español, portugués, ruso, japonés, coreano y chino. La primera edición de Fundamentals of Modern Manufacturing recibió el IIE Joint Publishers Award (1996) y el M. Eugene Merchant Manufacturing Textbook Award, de la Society of Manufacturing Engineers (1996).
OTROS LIBROS DEL AUTOR
Automation, Production Systems, and Computer-Aided Manufacturing. Prentice Hall, 1980.
CAD/CAM: Computer-Aided Design and Manufacturing. Prentice-Hall, 1984 (en colaboración
con E. W. Zimmers, Jr.).
Industrial Robotics: Technology, Programming, and Applications. McGraw-Hill Book Company, 1986 (en colaboración con M. Weiss, R. Nagel y N. Odrey).
Automation, Production Systems, and Computer Integrated Manufacturing. Prentice Hall, 1987.
Fundamentals of Modern Manufacturing: Materials, Processes, and Systems, publicado originalmente por Prentice Hall en 1996, y después por John Wiley & Sons, Inc., en 1999.
Automation, Production Systems, and Computer Integrated Manufacturing, 2a. ed., Prentice
Hall, 2001.
Fundamentals of Modern Manufacturing: Materials, Proceses, and Systems. 2a. ed., John
Wiley & Sons, Inc., 2002.
Work Systems and the Methods, Measurement, and Management of Work, Pearson Prentice
Hall, 2007.
Fundamentals of Modern Manufacturing: Materials, Processes, and Systems, 3a. ed., John
Wiley & Sons, Inc., 2007.
Automation, Production Systems, and Computer Integrated Manufacturing. 3a. ed., Pearson
Prentice Hall, 2008.
Fundamentals of Modern Manufacturing: Materials, Processes, and Systems, 4a. ed., John
Wiley & Sons, Inc., 2010.
Agradecimientos
Quisiera expresar mi agradecimiento a las personas siguientes, quienes participaron en nuestra
encuesta, la cual dio lugar a las decisiones sobre el contenido de este libro: Yuan-Shin Lee, de
la North Carolina State University; Ko Moe Hun, de la University of Hawaii; Ronald Huston,
de la University of Cincinnati; Ioan Marinescu, de la University of Toledo; Val Marinov, de la
North Dakota State University; Victor Okhuysen, de la California Polytechnic University en Pomona; John M. Usher, de la Mississippi State University; Daniel Waldorf, de la California Polytechnic State University; Allen Yi, de la Ohio State University; Jack Zhou, de la Drexel University,
y Brian Thompson, de la Michigan State University.
Además, me parece conveniente reconocer a mis colegas editores en Hoboken, Nueva Jersey: la editora ejecutiva Linda Ratts, los asistentes editoriales Renata Marcionne y Christopher
Teja y el editor de producción Micheline Frederick. Por último, pero ciertamente no menos importante, agradezco los profundos esfuerzos del editor Joyce Poh.
1
Introducción y panorama
general de la manufactura
CONTENIDO DEL CAPÍTULO
1.1
¿Qué es la manufactura?
1.1.1 Definición de manufactura
1.1.2 Las industrias manufactureras y sus
productos
1.1.3 Capacidad de manufactura
1.1.4 Los materiales en la manufactura
1.2
1.3
Procesos de manufactura
1.2.1 Operaciones de proceso
1.2.2 Operaciones de ensamble
1.2.3 Máquinas de producción y herramientas
Organización del libro
La fabricación de cosas ha sido una actividad esencial de las civilizaciones humanas desde antes
de la historia registrada. Hoy en día se utiliza el término manufactura para denotar esta actividad. Por razones técnicas y económicas, la industria manufacturera es importante para el bienestar de Estados Unidos y de la mayoría de las naciones desarrolladas. La tecnología se define
como la aplicación de la ciencia para proporcionar a la sociedad y a sus miembros aquellos objetos que necesitan o desean. La tecnología influye directa e indirectamente de muchas maneras en
nuestra vida diaria. Considere la lista de productos de la tabla 1.1. Representan distintas tecnologías que ayudan a los miembros de nuestra sociedad a vivir mejor. ¿Qué tienen en común esos
productos? Todos son manufacturados. Esas maravillas tecnológicas no estarían disponibles para
la sociedad si no pudieran manufacturarse. La manufactura es el factor esencial que hace posible
a la tecnología.
En cuanto a la economía, la manufactura es un medio importante con el que una nación crea
bienestar material. En Estados Unidos, las industrias manufactureras generan alrededor de 20%
del producto interno bruto (PIB). Los recursos naturales de un país, como las tierras agrícolas,
depósitos minerales y reservas petrolíferas, también crean bienestar. En Estados Unidos, la agricultura, minería e industrias similares generan menos de 5% del PIB (la agricultura representa
sólo alrededor de 1%). La construcción y las empresas públicas producen aproximadamente 5%.
El resto corresponde a industrias de servicios, entre las que se incluyen el menudeo, el transporte,
la banca, las comunicaciones, la educación y el gobierno. El sector de los servicios agrupa más
de 75% del PIB de Estados Unidos. Tan sólo el gobierno de ese país genera tanto PIB como el
sector de manufactura; sin embargo, los servicios gubernamentales no crean riqueza. En la economía moderna internacional, una nación debe poseer una base fuerte de manufactura (o tener
recursos naturales significativos) si ha de contar con una economía fuerte y estándares de vida
elevados para su pueblo.
En este capítulo de introducción se consideran temas generales sobre la manufactura. ¿Qué
es la manufactura? ¿Cómo se organiza en la industria? ¿Cuáles son los procesos con los que se
logra la producción?
2 CAPÍTULO 1
TABLA 1.1
Introducción y panorama general de la manufactura
Productos que represenan distintas tecnologías, la mayor parte de los cuales impactan en casi todas las personas
Automóvil híbrido a gasolina-electricidad
Avión supersónico
Bolígrafo
Bicicleta
Cajero automático
Calculadora electrónica portátil
Cámara digital
Circuito integrado
Computadora personal (PC)
Disco compacto (CD)
Disco de video digital (DVD)
Escáner óptico
Focos de luz fluorescente compacta
Fotocopiadora
Horno de microondas
Impresora de inyección de tinta
Juegos de video
Latas de fácil apertura
Lavadora de trastos
Lavadora y secadora
Lentes de contacto
Libro electrónico
Máquina de fax
Máquina para el diagnóstico médico por medio de
imágenes de resonancia magnética (IRM)
Neumático
Podadora autopropulsada
Raqueta de tenis de materiales compuestos
Reloj de pulsera de cuarzo
Reproductor de discos compactos
Reproductor de discos de video digital
Robot industrial
Sistema de posicionamiento global
Silla de plástico para el jardín, moldeada en
una pieza
Teléfono celular
Televisión de pantalla plana y alta definición
Zapatos deportivos
Recopilado en fuentes de datos disponibles acerca de los productos.
1.1 ¿Qué es la manufactura?
La palabra manufactura se deriva de las palabras latinas manus (mano) y factus (hacer); la combinación de ambas significa hecho a mano. La palabra manufactura tiene varios siglos de antigüedad, y “hecho a mano” describe en forma adecuada los métodos manuales que se utilizaban
cuando se acuñó la expresión.1 La mayor parte de la manufactura moderna se lleva a cabo por
medio de maquinaria automatizada y controlada por computadora.
1.1.1
Definición de manufactura
Como campo de estudio en el contexto moderno, la manufactura se puede definir de dos maneras:
una tecnológica y la otra económica. En el sentido tecnológico, la manufactura es la aplicación
de procesos físicos y químicos para alterar la geometría, propiedades o apariencia de un material de
inicio específico para fabricar piezas o productos; la manufactura también incluye el ensamble
de diversas piezas para fabricar productos. Los procesos para llevar a cabo la manufactura involucran una combinación de máquinas, herramientas, energía y trabajo manual, como se ilustra en
la figura 1.1a). Casi siempre, la manufactura se ejecuta como una secuencia de operaciones.
Cada una de éstas lleva al material más cerca del estado final que se desea.
En el sentido económico, la manufactura es la transformación de los materiales en artículos
de valor mayor por medio de una o más operaciones de procesamiento o ensamblado, según lo
ilustra la figura 1.1b). La clave es que la manufactura agrega valor al material cambiando su
forma o propiedades, o mediante su combinación con otros materiales que también han sido alterados. El material se habrá hecho más valioso por medio de las operaciones de manufactura
ejecutadas en él. Cuando el mineral de hierro se convierte en acero, se le agrega valor. Si la arena
se transforma en vidrio, se le añade valor. Cuando el petróleo se refina y se convierte en plástico, su
valor aumenta. Y cuando el plástico se modela en la geometría compleja de una silla de jardín,
se vuelve más valioso.
Es frecuente que las palabras manufactura y producción se usen de manera indistinta. El punto
de vista del autor es que la producción tiene un significado más amplio que la manufactura. Para
ilustrar esto se puede utilizar la expresión “producción de petróleo crudo”, pero la frase “manufactura de petróleo crudo” parece fuera de lugar. Sin embargo, cuando se emplea en el contexto de
productos como piezas metálicas o automóviles, cualquiera de ambas palabras es aceptable.
1
Como sustantivo, la primera aparición de la palabra manufactura fue en inglés, alrededor del año 1567 d.C. Como
verbo (manufacturar), su primera aparición fue aproximadamente en el año 1683 d.C.
¿Qué es la manufactura? 3
M
aq
H uina
er r
r ia
En ami
er en
M gía tas
an
o
de
ob
ra
1.1
Material
en bruto
Proceso de
manufactura
Pieza
procesada
Proceso de
manufactura
Sobrantes y
desperdicios
Valor
agregado $$
$
Material
en bruto
a)
Material
en proceso
$$$
Pieza
procesada
b)
FIGURA 1.1 Dos maneras de definir manufactura: a) como proceso técnico y b) como proceso económico.
(Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley &
Sons, Inc.)
1.1.2
Las industrias manufactureras y sus productos
La manufactura es una actividad comercial importante llevada a cabo por compañías que venden
productos a sus clientes. El tipo de manufactura que una empresa realiza depende de la clase de
producto que fabrica. Esta relación se analizará primero con el examen de los tipos de industrias
manufactureras, y después con la identificación de los productos que generan.
Industrias manufactureras La industria consiste en empresas y organizaciones que producen
o suministran bienes y servicios. Las industrias se clasifican como primarias, secundarias o terciarias. Las industrias primarias cultivan y explotan recursos naturales, como la agricultura y
minería. Las industrias secundarias toman la producción de las primarias y la convierten en
bienes de consumo y capital. En esta categoría, la manufactura es la actividad principal, pero
también quedan incluidas las construcciones y la generación de energía. Las industrias terciarias
constituyen el sector de servicios de la economía. En la tabla 1.2 se presenta una lista de industrias específicas de dichas categorías.
Este libro se refiere a las industrias secundarias de la tabla 1.2, que incluyen las compañías
que se dedican a la manufactura. Sin embargo, la Clasificación Internacional Estándar de Industrias, que se empleó para compilar la tabla 1.2, incluye varias industrias cuyas tecnologías de
TABLA 1.2
Primaria
Agricultura
Forestal
Pesca
Ganadería
Canteras
Minería
Petróleo
Industrias específicas de las categorías primaria, secundaria y terciaria
Secundaria
Aerospacial
Vestido
Automotriz
Metalurgia básica
Bebidas
Materiales para construcción
Productos químicos
Computadoras
Construcción
Aparatos electrodomésticos
Electrónica
Equipos
Metales procesados
Alimentos procesados
Vidrio, cerámicos
Maquinaria pesada
Papel
Refinación de petróleo
Farmacéutica
Plásticos (formados)
Instalaciones de generación de
energía
Editorial
Textiles
Neumáticos y caucho
Madera y muebles
Recopilado en fuentes de datos disponibles acerca de la industria.
Terciaria (servicios)
Banca
Comunicaciones
Educación
Entretenimiento
Servicios financieros
Gobierno
Salud y cuidados médicos
Hotel
Información
Seguros
Legales
Bienes raíces
Reparaciones y mantenimiento
Restaurantes
Comercio al menudeo
Turismo
Transporte
Comercio al mayoreo
4 CAPÍTULO 1
Introducción y panorama general de la manufactura
producción no se estudian en este texto (por ejemplo, las bebidas, los productos químicos y los
alimentos procesados). En este libro, manufactura significa producción de hardware, que va
desde tuercas y tornillos hasta computadoras digitales y armas. Se incluyen productos plásticos y
cerámicos, pero se excluyen los productos de vestir, de papel, farmacéuticos, editoriales y de
madera.
Productos manufacturados Los productos finales fabricados por las industrias se dividen en
dos clases principales: bienes de consumo y bienes de capital. Los bienes de consumo son productos que los consumidores compran en forma directa, como autos, computadoras personales,
televisores, neumáticos y raquetas de tenis, entre muchos otros. Los bienes de capital son aquellos que adquieren otras compañías para producir bienes y prestar servicios. Algunos ejemplos de
bienes de capital incluyen aviones, computadoras, equipo de comunicaciones, aparatos médicos,
camiones y autobuses, locomotoras de ferrocarril, máquinas-herramienta y equipos para construcción. La mayoría de estos bienes de capital son comprados por la industria de servicios. En la
introducción se hizo notar que la manufactura aporta 12% del producto interno bruto y que los
servicios significan más de 75% del PIB en Estados Unidos. Sin embargo, los bienes de capital
manufacturados que adquiere el sector de servicios son los facilitadores de ese sector. Sin los
bienes de capital, las industrias de servicios no podrían funcionar.
Además de los productos finales, otros artículos manufacturados incluyen los materiales,
componentes y suministros que emplean las compañías para fabricar los artículos terminados.
Algunos ejemplos de ellos incluyen la lámina de acero, barras de acero, estampados metálicos,
piezas maquinadas, plásticos moldeados y extruidos, herramientas de corte, dados, moldes y lubricantes. Así, las industrias manufactureras son una infraestructura compleja con categorías y
niveles distintos de proveedores intermedios con quienes el consumidor final nunca tratará.
Este libro estudia artículos específicos, piezas individuales y productos ensamblados, en
lugar de aquellos producidos por procesos continuos. Un estampado metálico es un producto
específico, pero el rollo de metal laminado del que se fabrica es continuo o semicontinuo. Muchas piezas específicas comienzan como productos continuos o semicontinuos, como las extrusiones o el cable eléctrico. Secciones grandes de longitudes casi continuas se cortan al tamaño
deseado. Una refinería de petróleo es un ejemplo aún mejor del proceso continuo.
Cantidad de producción y variedad de productos La cantidad de productos elaborados por
una fábrica tiene una influencia importante en la manera en que están organizados su personal,
sus instalaciones y sus procedimientos. Las cantidades de producción anual se clasifican en tres
categorías: 1) producción baja, en el rango de 1 a 100 unidades por año; 2) producción media, de
100 a 10 000 unidades anuales y 3) producción alta, de 10 000 a varios millones de unidades. Los
límites de los tres rangos son un poco arbitrarias (a juicio del autor). En función de las clases de
productos puede cambiar su orden de magnitud.
La cantidad de producción se refiere al número de unidades de cierto tipo de producto que se
producen en un año. Algunas plantas producen una variedad de productos distintos, cada uno de
los cuales se hace en cantidades bajas o medias. Otras plantas se especializan en la producción
alta de un solo tipo de producto. Es instructivo identificar la variedad de productos como parámetro distintivo de la cantidad de producción. La variedad de productos se refiere a los diseños o
tipos distintos de productos que se producen en la planta. Productos diferentes tienen formas y
tamaños diversos; desempeñan funciones distintas; se destinan a mercados distintos; algunos
tienen más componentes que otros; y así sucesivamente. Es posible contar el número de tipos
distintos de productos fabricados cada año. Cuando el número de tipos de productos de la fábrica
es elevado, eso indica una variedad de productos alta.
Existe una correlación inversa entre la variedad de productos y la cantidad de producción, en
términos de las operaciones de la fábrica. Si la variedad de los productos de una fábrica es elevada, entonces es probable que su cantidad de producción sea baja; pero si la cantidad de producción es alta, entonces la variedad de productos será baja, como se ilustra con la banda diagonal
en la figura 1.2.
Aunque se ha identificado la variedad de productos como un parámetro cuantitativo (número
de tipos diferentes de productos que hace la planta o la compañía), éste es mucho menos exacto que
la cantidad de producción ya que los detalles en que difieren los diseños no se capturan sólo con
FIGURA 1.2 Relación entre la
variedad de productos y la cantidad de producción en la manufactura de productos específicos.
(Crédito: Fundamentals of Modern
Manufacturing, 4a. ed., de Mikell
P. Groover, 2010. Reimpreso con
autorización de John Wiley &
Sons, Inc.)
Variedad de productos
1.1
¿Qué es la manufactura? 5
Baja
Media
Alta
1
102
104
106
Cantidad de producción
el número de diseños distintos. Las diferencias entre un automóvil y un acondicionador de aire
son mucho mayores que entre este último y una bomba de calor. Dentro de cada tipo de producto
existen diferencias entre modelos específicos.
El grado de las diferencias del producto puede ser pequeño o grande, como en la industria
automotriz. Cada una de las compañías automotrices de Estados Unidos de América produce dos
o tres modelos de automóvil distintos en la misma planta de ensamblado, aunque los estilos de
la carrocería y otras características del diseño son virtualmente las mismas. En plantas distintas, la
compañía construye camiones pesados. Para describir dichas diferencias de la variedad de productos se utilizan los términos “suave” y “dura”. La variedad suave de productos ocurre cuando
sólo existen diferencias pequeñas en la variedad de productos, como aquellas entre automóviles
fabricados en la misma línea de producción. En un producto ensamblado, la variedad de productos se caracteriza por una proporción elevada de piezas comunes entre los modelos. La variedad
dura de productos sucede cuando éstos varían en forma sustancial, y hay pocas piezas en común,
o ninguna. La diferencia entre un automóvil y un camión de carga ilustra la variedad dura.
1.1.3
Capacidad de manufactura
Una compañía dedicada a la manufactura no puede hacer todo. Debe hacer sólo ciertas cosas, y
las debe hacer bien si quiere seguir siendo competitiva en la industria. La capacidad de manufactura se refiere a las limitaciones técnicas y físicas de una empresa de manufactura y cada una
de sus plantas. Es posible identificar varias dimensiones de esta capacidad: 1) capacidad tecnológica de proceso, 2) tamaño físico y peso del producto y 3) capacidad de producción.
Capacidad tecnológica de proceso La capacidad tecnológica de proceso de una planta (o
compañía) es el conjunto de procesos de manufactura con que dispone. Ciertas plantas realizan
operaciones de maquinado, otras convierten lingotes de acero en lámina, y unas más construyen
automóviles. Una planta de maquinado no puede laminar acero, y una planta de laminación no
puede fabricar autos. La característica subyacente que distingue a esas plantas son los procesos
que pueden ejecutar. La capacidad tecnológica de procesamiento tiene una estrecha relación con
el tipo de material. Ciertos procesos de manufactura se ajustan a determinados materiales, mientras que otros se adaptan a unos distintos. Al especializarse en determinado proceso o grupo de
procesos, la planta se especializa en forma simultánea en ciertos tipos de materiales. Las capacidades tecnológicas de proceso incluyen no sólo los procesos físicos sino también la experiencia
que tiene el personal de la planta en dichas tecnologías. Las compañías deben concentrarse en el
diseño y la manufactura de productos que son compatibles con su capacidad tecnológica de proceso.
Un segundo aspecto de la capacidad de manufactura lo
impone el producto físico. Una planta con un conjunto dado de procesos está limitada en los
términos del tamaño y el peso de los productos que pueden alojarse. Los productos grandes y
pesados son difíciles de mover. Para hacerlo, la planta debe equiparse con grúas con la capacidad
Limitaciones físicas del producto
6 CAPÍTULO 1
Introducción y panorama general de la manufactura
de carga requerida. Piezas y productos pequeños que se fabrican en cantidades grandes se trasladan por medio de bandas u otros medios. La limitante del tamaño y peso de un producto también
se extiende a la capacidad física del equipo de manufactura. Las máquinas de producción tienen
tamaños distintos. Las más grandes deben utilizarse para procesar piezas grandes. El equipo de
producción y manejo de material debe planearse para los productos que están dentro de cierto
rango de tamaño y peso.
Capacidad de producción Una tercera limitante de la capacidad de una planta de manufactura
es la cantidad de producción que puede obtenerse en un periodo específico (por ejemplo, un mes
o un año). Es común llamar a dicha limitante de cantidad capacidad de planta, o capacidad de
producción, y se define como la tasa máxima de producción que una planta puede alcanzar en
condiciones previstas de operación. Estas condiciones se refieren al número de turnos por semana, horas por turno, niveles de la mano de obra directa, entre otros. Esos factores representan los
insumos de la planta. Dados estos insumos, ¿cuál es la producción que puede generar la empresa?
Por lo general, la capacidad de planta se mide en términos de las unidades producidas, como
las toneladas de acero que produce al año una fundición, o el número de automóviles producido
por una planta de ensamblado final. En estos casos, las producciones son homogéneas. En los
casos en que las unidades de producción no son homogéneas, otros factores más apropiados de
medición son las horas-hombre de capacidad productiva en un taller de maquinado que produce
piezas diversas.
1.1.4
Los materiales en la manufactura
La mayor parte de los materiales para ingeniería se clasifican en una de tres categorías básicas:
1) metales, 2) cerámicos y 3) polímeros. Sus características químicas son diferentes, sus propiedades mecánicas y físicas son distintas y afectan los procesos de manufactura susceptibles de
emplearse para obtener productos de ellos. Además de las tres categorías básicas, hay 4) compósitos, mezclas no homogéneas de los otros tres tipos fundamentales. En esta sección se revisan
brevemente estas cuatro categorías de materiales. En el capítulo 2 se cubren con más detalle.
Metales Los metales que se emplean en la manufactura por lo general son aleaciones, que están
compuestos de dos o más elementos, con al menos uno en forma metálica. Los metales y las
aleaciones se dividen en dos grupos básicos: ferrosos y no ferrosos.
Los metales ferrosos se basan en el hierro. El grupo incluye acero y hierro colado. Dichos
metales constituyen el grupo comercial más importante, con más de las tres cuartas partes del
peso total de los metales de todo el mundo. El hierro puro tiene un uso comercial limitado, pero
cuando se mezcla con carbono tiene más usos y mayor valor comercial que cualquier otro metal.
Las aleaciones de hierro y carbono forman acero y hierro colado.
El acero se define como una aleación de hierro-carbono que contiene 0.02-2.11% de carbono.
Es la categoría más importante dentro del grupo de metales ferrosos. Es frecuente que su composición incluya otros elementos de la aleación, como manganeso, cromo, níquel y molibdeno,
para mejorar las propiedades del metal. Las aplicaciones del acero incluyen la construcción (por
ejemplo, puentes, vigas tipo I y clavos), transporte (camiones, rieles y trenes) y productos de
consumo (automóviles y aparatos electrodomésticos).
El hierro colado es una aleación de fierro y carbono (2-4%) que se utiliza en la fundición
(sobre todo en fundición en arena). El silicio también está presente en la aleación (en cantidades
que van de 0.5 a 3%), y es frecuente que también se agreguen otros elementos para obtener propiedades deseables en la pieza fundida. El hierro colado se encuentra disponible en distintas
formas, de las cuales la más común es el hierro colado gris; sus aplicaciones incluyen bloques y
cabezas para motores de combustión interna.
Los metales no ferrosos incluyen los demás elementos metálicos y sus aleaciones. En casi
todos los casos, las aleaciones tienen más importancia comercial que los metales puros. Los metales no ferrosos incluyen los metales puros y aleaciones de aluminio, cobre, oro, magnesio, níquel, plata, estaño, titanio, zinc y otros metales.
1.1
¿Qué es la manufactura? 7
Cerámicos Un cerámico se define como un compuesto que contiene elementos metálicos (o
semimetálicos) y no metálicos. Los elementos no metálicos comunes son oxígeno, nitrógeno y
carbono. Los cerámicos incluyen una variedad de materiales tradicionales y modernos. Los productos cerámicos tradicionales, algunos de los cuales se han utilizado durante miles de años, incluyen: arcilla (se dispone de ella en abundancia, y consiste en partículas finas de silicatos de
aluminio hidratados y otros minerales que se utilizan en la fabricación de ladrillos, baldosas y
vajillas), sílice (es la base para casi todos los productos de vidrio), alúmina y carburo de silicio
(dos materiales abrasivos que se emplean en el rectificado). Los cerámicos modernos incluyen
algunos de los materiales anteriores, como la alúmina, cuyas propiedades se mejoran de varios
modos mediante métodos modernos de procesamiento. Los más nuevos incluyen carburos; los
carburos metálicos, como el carburo de tungsteno y el de titanio, se emplean mucho como materiales para herramientas de corte. Los nitruros, como los metálicos y semimetálicos (nitruro de
titanio y de boro) se utilizan como herramientas de corte y abrasivos para rectificar.
Con fines de procesamiento, los cerámicos se dividen en cerámicos cristalinos y vidrios.
Para cada tipo se requieren diferentes métodos de manufactura. Los cerámicos cristalinos se
forman de distintas maneras a partir de polvos que después se calientan (a una temperatura inferior del punto de fusión a fin de lograr la unión entre los polvos). Los cerámicos vidriados (vidrio,
sobre todo) se funden para después formarse en procesos como el vidrio soplado tradicional.
Polímeros Un polímero es un compuesto formado por unidades estructurales repetidas deno-
minadas meros, cuyos átomos comparten electrones que forman moléculas muy grandes. Por lo
general, los polímeros consisten en carbono más uno o más elementos como hidrógeno, nitrógeno, oxígeno y cloro. Los polímeros se dividen en tres categorías: 1) polímeros termoplásticos o
termovariables, 2) polímeros termoestables o termofijos y 3) elastómeros.
Los polímeros termoplásticos pueden sujetarse a ciclos múltiples de calentamiento y enfriamiento sin que se altere en forma sustancial la estructura molecular del polímero. Los termoplásticos comunes incluyen polietileno, poliestireno, cloruro de polivinilo y nylon. Los polímeros
termofijos sufren una transformación química (curado) hacia una estructura rígida después de
haberse enfriado a partir de una condición plástica calentada, de ahí el nombre de “termofijos”.
Los miembros de este tipo incluyen los fenoles, resinas amino y epóxicas. Aunque se emplea el
nombre “termofijos”, algunos de dichos polímeros se curan por medio de mecanismos distintos
del calentamiento. Los elastómeros son polímeros que muestran un comportamiento muy elástico, de ahí su nombre. Incluyen el hule natural, neopreno, silicio y poliuretano.
Compósitos Los compósitos no constituyen en realidad una categoría separada de materiales;
son mezclas de los otros tres tipos. Un compósito es un material que consiste en dos o más fases
que se procesan por separado y luego se unen para lograr propiedades superiores a las de sus
constituyentes. El término fase se refiere a una masa homogénea de material, tal como la agregación de granos de estructura celular idéntica y unitaria en un metal sólido. La estructura usual de
un compósito consiste en partículas o triquitas (fibras) de una fase mezclada en una segunda que
se denomina matriz.
Los compósitos se encuentran en la naturaleza (por ejemplo, madera) y pueden producirse
en forma sintética. El tipo sintetizado es de mayor interés aquí e incluye triquitas de vidrio en una
matriz de polímero (por ejemplo, triquitas reforzadas de plástico), triquitas de polímero de un
tipo en una matriz de un segundo polímero (como un compósito epóxico de Kevlar) y un cerámico en una matriz metálica (como carburo de tungsteno en una sustancia aglutinante de cobalto
para formar una herramienta de corte a base de carburo cementado).
Las propiedades de un compósito dependen de sus componentes, las formas físicas de éstos
y la manera en que se combinan para formar el material final. Algunos compósitos combinan una
resistencia elevada con poco peso, y son apropiados para aplicarlos en componentes aeronáuticos, carrocerías de automóviles, cascos de barcos, raquetas de tenis y cañas de pescar. Otros
compósitos son fuertes, duros y capaces de conservar dichas propiedades a temperaturas elevadas
(por ejemplo, las herramientas cortadoras de carburo cementado).
8 CAPÍTULO 1
Introducción y panorama general de la manufactura
1.2 Procesos de manufactura
Un proceso de manufactura es un procedimiento diseñado que resulta en un cambio físico y/o
químico de un material de trabajo inicial con la intención de aumentar el valor de dicho material.
Por lo general, un proceso de manufactura se realiza como una operación unitaria, lo que significa que se trata de un solo paso en la secuencia de pasos necesarios para transformar el material
inicial en un producto final. Usualmente, se ejecuta una operación unitaria sobre una sola pieza
del equipo, que funciona en forma independiente de las otras operaciones en la planta.
Las operaciones de manufactura se dividen en dos tipos básicos: 1) las operaciones de proceso y 2) las de ensamblado. Una operación de proceso hace que un material de trabajo pase de
un estado de acabado a otro más avanzado que está más cerca del producto final que se desea. Se
agrega valor cambiando la geometría, las propiedades o la apariencia del material de inicio. En
general, las operaciones de proceso se ejecutan sobre partes específicas, pero ciertas operaciones
de procesamiento también son aplicables a artículos ensamblados (por ejemplo, la pintura de la
carrocería de un automóvil). Una operación de ensamblado une dos o más componentes a fin de
crear una entidad nueva, llamada ensamble, subensamble o algún otro término que se refiera al
proceso de unión (por ejemplo, un ensamble soldado se denomina soldadura). En la figura 1.3 se
presenta una clasificación de procesos de manufactura.
1.2.1
Operaciones de proceso
Una operación de proceso utiliza energía para modificar la forma, las propiedades físicas o la
apariencia de una pieza a fin de agregar valor al material. Las formas de la energía incluyen
la mecánica, térmica, eléctrica y química. La energía se aplica en forma controlada por medio de
maquinaria y herramientas. También se requiere de la energía humana, pero los trabajadores se
emplean por lo general para controlar las máquinas, supervisar las operaciones y cargar y descargar las piezas antes y después de cada ciclo de operación. En la figura 1.1a) se ilustra un modelo
general de operaciones de proceso. El material alimenta al proceso, las máquinas y herramientas
aplican energía para transformar el material, y la pieza terminada sale del proceso. La mayoría de
las operaciones de producción generan desperdicios o sobrantes, ya sea como un aspecto natural
del proceso (por ejemplo, remoción de material, como en el maquinado) o en forma de piezas
defectuosas ocasionales. Un objetivo importante de la manufactura es reducir el desperdicio en
cualquiera de esas formas.
Por lo general, se requiere más de una operación de proceso para transformar el material de
inicio a su forma final. Las operaciones se llevan a cabo en la secuencia particular que se requiere para alcanzar la geometría y condición definidas por las especificaciones del diseño.
Se distinguen tres tipos generales de operaciones de proceso: 1) operaciones de formado, 2)
operaciones de mejoramiento de una propiedad y 3) operaciones de proceso de superficies. Las
operaciones de formado alteran la geometría del material inicial de trabajo por medio de varios métodos. Los procesos comunes de formado incluyen la fundición, la forja y el maquinado.
Las operaciones de mejoramiento de una propiedad agregan valor al material con la mejora de
sus propiedades físicas sin cambio de la forma. El ejemplo más común es el tratamiento térmico.
Las operaciones de proceso de superficies se ejecutan para limpiar, tratar, recubrir o depositar
material sobre la superficie exterior del trabajo. Ejemplos comunes del recubrimiento son el cromado y el pintado.
La mayoría de los procesos de formado aplican calor o fuerzas mecánicas, o una combinación de ambas, para que surtan un efecto en la geometría del material de trabajo. Hay varias maneras de clasificar los procesos de formado. La clasificación que se utiliza en
este libro se basa en el estado del material de inicio y tiene cuatro categorías: 1) procesos de solidificación, en los que el material con que se comienza es un líquido calentado o semifluido que
se enfría y solidifica para formar la geometría de la pieza; 2) procesamiento de partículas o
metalurgia de polvos, en los que los materiales de inicio son polvos, que se forman y calientan
con la geometría deseada; 3) procesos de deformación, en los que el material con que se comien-
Procesos de formado
1.2
Procesos de manufactura 9
Procesos de
solidificación
Procesos
de formado
Operaciones
de proceso
Procesos de
deformación
Remoción de
materiales
Procesos de mejora
de propiedades
Operaciones
de proceso
de superficies
Procesos de
manufactura
Procesamiento
de partículas
Tratamiento
térmico
Limpieza y tratamiento
de superficies
Recubrimiento y procesos
de deposición
Soldadura autógena
Procesos de unión
permanente
Soldadura fuerte
y soldadura blanda
Unión mediante
adhesivos
Operaciones
de ensamble
Ensamble
mecánico
Dispositivos
roscados
Métodos de unión
permanente
FIGURA 1.3 Clasificación de los procesos de manufactura. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)
za es un sólido dúctil (metal, por lo común) que se deforma para crear la pieza, y 4) procesos de
remoción de material, en los que el material de inicio es un sólido (dúctil o frágil), a partir del
cual se retira material de modo que la pieza resultante tenga la geometría que se busca.
En la primera categoría, el material de inicio se calienta lo suficiente para transformarlo a un
líquido o a un estado altamente plástico (semifluido). Casi todos los materiales se pueden procesar de esta manera. Los metales, vidrios cerámicos y plásticos pueden calentarse a temperaturas suficientemente elevadas para convertirlos en líquidos. El material en forma líquida o semifluida se vacía o se le fuerza para que fluya en una cavidad llamada molde, donde se enfría hasta
la solidificación, con lo que adquiere la forma del molde. La mayoría de procesos que operan de
esta manera se denominan fundición o moldeado. Fundición es el término que se emplea para los
metales, y moldeado es el nombre común usado para plásticos. En la figura 1.4 se ilustra esta
categoría de procesos de formado.
En la metalurgia de polvos, el material de inicio son polvos metálicos o cerámicos. Aunque
estos dos materiales son muy diferentes, los procesos para darles forma a partir de la metalurgia
de polvos son muy similares. La técnica común involucra la presión y el sinterizado, que se ilustran en la figura 1.5, en las que los polvos primero se fuerzan hacia una cavidad llamada matriz o
dado a una gran presión, y después se calientan para unir las partículas individuales.
En los procesos de deformación, la pieza inicial que se trabaja se conforma por medio de la
aplicación de fuerzas que exceden la resistencia del material. Para que el material se forme de
este modo, debe ser suficientemente dúctil para evitar que se fracture durante la deformación.
Para incrementar su ductilidad (y por otras razones) es común que antes de darle forma el material de trabajo se caliente hasta una temperatura por debajo del punto de fusión. Los procesos de
10 CAPÍTULO 1
Introducción y panorama general de la manufactura
Cuchara
de vaciado
Bebedero y vena de
alimentación (se recortan)
Metal fundido
Vertedero
Línea de
partición
Pieza fundida sólida
Molde
(de arena)
2)
1)
FIGURA 1.4 Los procesos de fundición y moldeado comienzan con un material de trabajo calentado
hasta alcanzar un estado fluido o semifluido. Los procesos consisten en 1) vaciar el fluido en un molde y
2) permitir que el fluido se enfríe hasta solidificarse, después de lo cual la pieza sólida se retira del molde.
(Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con
autorización de John Wiley & Sons, Inc.)
deformación se asocian mucho con el trabajo de los metales, e incluyen operaciones como el
forjado y la extrusión, que se ilustran en la figura 1.6.
Los procesos de remoción de material son operaciones que retiran el exceso de material de
la pieza de trabajo con que se inicia, de modo que la forma que resulta tiene la geometría buscada.
Los procesos más importantes de esta categoría son las operaciones de maquinado, como torneado, taladrado y fresado, que se muestran en la figura 1.7. Estas operaciones de corte se aplican más comúnmente a metales sólidos y se llevan a cabo con el empleo de herramientas de
corte más duras y fuertes que el metal de trabajo. Otro proceso común de esta categoría es el
rectificado. Otros procesos de remoción de material se conocen como no tradicionales debido a
que utilizan láser, haces de electrones, erosión química, descargas eléctricas o energía electroquímica para retirar el material, en vez de herramientas de corte o rectificado.
Cuando una pieza inicial de trabajo se transforma en una geometría subsecuente, es deseable
minimizar el desperdicio y los desechos. Ciertos procesos de conformación son más eficientes
que otros, en términos de conservación del material. Los procesos de remoción de materiales (por
ejemplo, el maquinado) tienden a desperdiciar material, tan sólo por la forma en que operan. El
Fuerza
Punzón
superior
Dado
1)
Punzón
inferior
3)
Pieza de
trabajo, durante
el sinterizado
Fuerza
2)
FIGURA 1.5 Metalurgia de polvos 1) el material de inicio es un polvo; el proceso usual consiste en 2)
presionar y 3) sinterizar. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover,
2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)
1.2
Procesos de manufactura 11
Sección transversal
extruida
Cámara
v, F
Ariete
de
presión
Forja
Dado
Rebaba (para
ser recortada)
v, F
v
Dado sal
Dado
Material en bruto
b)
a)
FIGURA 1.6 Algunos procesos de deformación comunes: a) forjado, en los que dos herramentales
llamados dados comprimen la pieza de trabajo, lo que ocasiona que adopte la forma de los dos dados; y b)
extrusión, en la que se fuerza el material en bruto a fluir a través de un dado, por lo que adopta la sección
transversal del orificio. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover,
2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)
material que se retira de la forma inicial se desperdicia, al menos en lo referente a la operación
unitaria. Otros procesos, como ciertas operaciones de fundición y moldeado, con frecuencia convierten casi 100% del material con que se comienza en el producto final. Los procesos de manufactura que transforman casi todo el material de inicio en el producto, y no requieren maquinado
posterior para alcanzar la geometría definitiva de la pieza, se llaman procesos de forma final.
Otros procesos que requieren de un maquinado mínimo para producir la forma final reciben el
nombre de procesos de forma casi final.
Procesos de mejoramiento de una propiedad El segundo tipo general de proceso de una
pieza se lleva a cabo para mejorar las propiedades mecánicas o físicas del material de trabajo.
Estos procesos no alteran la forma de la pieza, salvo de manera accidental en algunos casos. Los
procesos más importantes de mejoramiento de una propiedad involucran los tratamientos térmicos, que incluyen varios procesos de recocido y templado de metales y vidrios. El sinterizado
de metales y cerámicos pulverizados, que se mencionó antes, también es un tratamiento a base de
calor que aglutina una pieza de metal pulverizado y comprimido.
Procesamiento de superficies Las operaciones de procesamiento de superficies incluyen 1)
limpieza, 2) tratamientos de una superficie y 3) procesos de recubrimiento y deposición de una
Pieza de trabajo
Diámetro
Diámetro final,
inicial Viruta después del torneado
Rotación
Avance
Rotación
(pieza de
trabajo)
Broca
Pieza de
trabajo
Cortador de
punto sencillo
Avance de la
herramienta
a)
Rotación
Fresa
de corte
Material
removido
Pieza
de
Trabajo
Barreno
Avance
b)
c)
FIGURA 1.7 Operaciones comunes de maquinado: a) torneado, en el que una herramienta de corte de
un filo retira metal de una pieza de trabajo que gira, a fin de reducir su diámetro; b) taladrado, en la que
una broca en rotación avanza dentro de la pieza de trabajo, con lo que crea un barreno redondo, y c) fresado, en la que una pieza de trabajo se hace avanzar hacia un cortador giratorio con filos múltiples. (Crédito:
Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización
de John Wiley & Sons, Inc.)
12 CAPÍTULO 1
Introducción y panorama general de la manufactura
película (capa) delgada. La limpieza incluye procesos tanto químicos como mecánicos para retirar de la superficie suciedad, aceite y otros contaminantes. Los tratamientos de superficies incluyen trabajos mecánicos como granallado y chorro de arena, así como procesos físicos como difusión e implantación de iones. Los procesos de recubrimiento y deposición de una película
delgada aplican una capa de material a la superficie exterior de la pieza que se trabaja. Los procesos comunes de recubrimiento incluyen la galvanoplastia y anodización del aluminio, y el
recubrimiento orgánico (llamado pintado). Los procesos de deposición de película incluyen la
deposición física y química de vapor (PVD, QVD), a fin de formar recubrimientos de varias
sustancias delgadas en extremo.
1.2.2
Operaciones de ensamble
El segundo tipo básico de operaciones de manufactura es el ensamble, en el que dos o más piezas
separadas se unen para formar una entidad nueva. Dichos componentes se conectan ya sea en
forma permanente o semipermanente. Los procesos de unión permanente incluyen la soldadura
autógena, soldadura fuerte, soldadura blanda y unión mediante adhesivos. Forman una unión
de componentes que no puede separarse con facilidad. Existen ciertos métodos de ensamblado
mecánico para sujetar dos (o más) partes en una pieza que se puede desarmar a conveniencia. El
uso de tornillos, remaches y otros sujetadores mecánicos son métodos tradicionales importantes
de esta categoría. Otras técnicas de ensamblado mecánico forman una conexión permanente;
éstas incluyen los remaches, ajustes de presión y ajustes de expansión.
1.2.3
Máquinas de producción y herramientas
Las operaciones de manufactura se llevan a cabo con el uso de maquinaria y herramienta (y personas). El empleo extenso de maquinaria en la manufactura comenzó con la Revolución Industrial.
Fue en esa época que las máquinas cortadoras de metal se desarrollaron y comenzaron a utilizarse
en forma amplia. Recibían el nombre de máquinas herramienta, que eran máquinas impulsadas
por energía para operar herramientas de corte que antes se usaban con las manos. Las máquinas
herramienta modernas se describen con la misma definición básica, excepto que la energía es
eléctrica en lugar de hidráulica o del vapor, y su nivel de precisión y automatización es mucho
mayor hoy día. Las máquinas herramienta están entre las más versátiles de todas las que se aplican
en la producción. Se emplean no sólo para hacer piezas de productos para el consumidor, sino
también para elaborar componentes para otras máquinas de la producción. Tanto en un sentido
histórico como de reproducción, la máquina herramienta es la madre de toda la maquinaria.
Otras máquinas para la producción incluyen prensas para las operaciones de estampado,
martillo de forja para forjar, laminadoras para fabricar lámina metálica, máquinas soldadoras
para soldar y máquinas de inserción para insertar componentes electrónicos en tarjetas de circuitos impresos. Por lo general, el nombre del equipo antecede al nombre del proceso.
El equipo de producción puede ser de propósito general o especial. El equipo de propósito
general es más versátil y adaptable a una variedad de trabajos. Se halla disponible en el comercio
para cualquier compañía manufacturera que quiera invertir en él. El equipo de propósito especial
por lo general está diseñado para producir una pieza o un producto específico en cantidades muy
grandes. La economía de la producción en masa justifica las grandes inversiones en maquinaria
de propósito especial a fin de alcanzar eficiencias elevadas en ciclos cortos de tiempo. Ésta no es
la única razón de ser del equipo de propósito especial, pero es la principal. Otra razón es que el
proceso puede ser único y el equipo comercial no se encuentre disponible. Algunas compañías
con requerimientos únicos de proceso desarrollan su propio equipo de propósito especial.
Por lo general, la maquinaria de producción requiere herramientas que se integren en el
equipo para el trabajo de la pieza o producto en particular. En muchos casos, el herramental debe
diseñarse específicamente para la configuración de la pieza o producto. Cuando se utiliza con
equipo de propósito general, está diseñada para ser intercambiable. Las herramientas se sujetan a
la máquina para cada tipo de producto y se fabrica el volumen de producción. Al terminar, se
1.3
TABLA 1.3
Organización del libro 13
Equipo de producción y las herramientas que se emplean para varios procesos de manufactura
Proceso
Equipo
Herramientas especiales (función)
Fundición
Moldeado
Laminado (rolado)
Forjado
Extrusión
Estampado
Maquinado
Rectificado
Soldadura
a
Molde (cavidad para metal fundido)
Molde (cavidad para polímeros calientes)
Rodillo (reduce espesor de la pieza)
Dado o matriz (comprime la pieza para darle forma)
Dado de extrusión (reduce la sección transversal)
Matrices y punzones (corte y conformación de lámina metálica)
Herramienta de corte (remoción de material)
Sujetador (sujeta la pieza de trabajo)
Guía (sujeta la pieza y guía la herramienta)
Piedra de rectificado (remoción de material)
Electrodo (funde el metal que se trabaja)
Sujetador (sujeta las piezas durante la soldadura)
Máquina de moldeado
Laminadora
Martillo o prensa de forja
Prensa
Prensa
Máquina herramienta
Rectificadora
Soldadora
Recopilado en fuentes de datos disponibles acerca de la producción.
a Tipos distintos de dispositivos y equipos para fundir (véase el capítulo 11).
cambian las herramientas para el siguiente tipo de producto por trabajar. Cuando se emplean con
máquinas de propósito especial, es frecuente que las herramientas estén diseñadas como parte
integral de la máquina. Debido a que es probable que para la producción en masa se empleen
máquinas de propósito especial, las herramientas quizá nunca cambien, excepto para reemplazar
componentes usados o reparar superficies desgastadas.
El tipo de herramientas depende del tipo de proceso de manufactura. En la tabla 1.3 se listan
ejemplos de herramientas especiales que se emplean en operaciones diversas. Los detalles se dan
en los capítulos en que se estudian los procesos respectivos.
1.3
Organización del libro
La sección 1.2 proporciona una introducción a los procesos de manufactura que se tratan en este
libro. Los 29 capítulos restantes se organizan en nueve partes. La parte I, titulada “Ingeniería de
materiales y atributos del producto”, consta de tres capítulos. En los capítulos 2 y 3 se analizan
las categorías importantes y las propiedades de los materiales que se utilizan en los procesos estudiados en el libro. El capítulo 4 ofrece un análisis de las especificaciones del producto, es decir,
las dimensiones, las tolerancias y la caracterización superficial. Se incluye un apéndice sobre la
medición de estos atributos.
La mayoría de los procesos y operaciones incluidas en el presente texto se identifican en la
figura 1.3. La segunda parte comienza con la cobertura de las cuatro categorías de procesos de
formado. La parte II consta de cinco capítulos sobre los procesos de solidificación que incluyen
la fundición de metales, el trabajo con vidrio y el formado de polímeros. En la parte III se cubre
el tratamiento de partículas con metales y cerámicos en dos capítulos. La parte IV incluye tres
capítulos que se ocupan de los procesos de deformación de los metales, como el laminado, el
forjado, el extruido y el trabajo con láminas metálicas. Por último, la parte V examina los procesos de remoción de material. Tres capítulos están dedicados al maquinado convencional y dos a
la cobertura del rectificado y las tecnologías de eliminación de material no tradicionales. Las
otras operaciones de procesamiento, de mejora de las propiedades (tratamiento térmico) y de
tratamiento superficial (por ejemplo, la limpieza, el galvanizado y la pintura) se tratan en dos
capítulos en la parte VI.
Los procesos de unión y ensamble se consideran en la parte VII, la cual está organizada en
cuatro capítulos de soldadura con arco, soldadura dura, soldadura suave, pegado adhesivo y ensamble mecánico.
14 CAPÍTULO 1
Introducción y panorama general de la manufactura
En la parte VIII, titulada “Tratamientos especiales y tecnologías de ensamble”, se tratan varios procesos únicos que no entran en el esquema de clasificación de la figura 1.3. Sus dos capítulos cubren la creación rápida de prototipos, la microfabricación y la nanofabricación.
La parte IX incluye tres capítulos sobre temas relacionados con los sistemas de manufactura.
Estos temas se pueden dividir en dos categorías: 1) las tecnologías y equipos que se encuentran
en la fábrica y que realizan las operaciones de fabricación y 2) los sistemas de apoyo a la manufactura, como la planeación de procesos y el control de calidad.
Referencias
[1]
[2]
Black, J. y Kohser, R. DeGarmo’s Materials and Processes
in Manufacturing, 10a. ed. John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey, 2008.
Flinn, R. A. y Trojan, P. K. Engineering Materials and
Their Applications, 5a. ed. John Wiley & Sons, Inc., Nueva
York, 1995.
[3]
[4]
Groover, M. P. Automation, Production Systems, and Computer Integrated Manufacturing, 3a. ed. Pearson PrenticeHall, Upper Saddle River, New Jersey, 2008.
Kalpakjian, S. y Schmid S. R. Manufacturing Processes for
Engineering Materials, 6a. ed. Pearson Prentice Hall, Upper Saddle River, New Jersey, 2010.
Preguntas de repaso
1.1. ¿Qué porcentaje aproximado del producto interno bruto
(PIB) de Estados Unidos es aportado por las industrias de
manufactura?
1.2. Defina manufactura.
1.3. De las siguientes clasificaciones de la industria, ¿cuál se
considera parte de las industrias manufactureras?:
a) primaria, b) secundaria o c) terciaria.
1.4. ¿Cuál es la diferencia entre un bien de consumo y un bien de
capital? Dé algunos ejemplos de cada categoría.
1.5. ¿Cuál es la diferencia entre la variedad de productos suave y
la variedad de productos dura, según se definieron estos términos en el texto?
1.6. Una de las dimensiones de la capacidad de manufactura es la
capacidad tecnológica de proceso. Defina la capacidad tecnológica de proceso.
1.7. ¿Cuáles son las cuatro categorías de los materiales de ingeniería utilizados en la manufactura?
1.8. ¿Cuál es la definición del acero?
1.9. ¿Cuáles son algunas de las aplicaciones típicas del acero?
1.10. ¿Cuál es la diferencia entre un polímero termoplástico y un
polímero termofijo?
1.11. Por lo general, los procesos de manufactura se realizan como operaciones unitarias. Defina operación unitaria.
1.12. En los procesos de manufactura, ¿cuál es la diferencia entre una operación de proceso y una operación de ensamble?
1.13. Uno de los tres tipos generales de las operaciones de proceso es la operación de formado, que se utiliza para crear o
modificar la geometría de una pieza de trabajo. ¿Cuáles
son los cuatro tipos de operaciones de formado?
1.14. ¿Cuál es la diferencia entre los procesos de formado final y
los procesos de formado casi final?
1.15. Identifique los cuatro tipos de procesos de unión permanente usados en el ensamble.
1.16. ¿Qué es una máquina herramienta?
1.17. ¿Cuál es la diferencia entre el equipo de producción de
propósito especial y de uso general?
PARTE I
Materiales en la ingeniería
y atributos del producto
2
Materiales en la ingeniería
CONTENIDO DEL CAPÍTULO
2.1
2.2
Metales y sus aleaciones
2.1.1 Aceros
2.1.2 Hierros fundidos
2.1.3 Metales no ferrosos
2.1.4 Superaleaciones
Cerámicos
2.2.1 Cerámicos tradicionales
2.2.2 Nuevos materiales cerámicos
2.2.3 Vidrio
2.3
2.4
Polímeros
2.3.1 Polímeros termoplásticos
2.3.2 Polímeros termofijos
2.3.3 Elastómeros
Compósitos*
2.4.1 Tecnología y clasificación de los
materiales compósitos
2.4.2 Materiales compósitos
En el capítulo 1 se definió la manufactura como un proceso de transformación. Es el material lo
que se transforma, y lo que determina el éxito de la operación es cómo se comporta éste cuando
cumple con los requerimientos de resistencia a fuerzas, temperaturas y otros parámetros físicos
particulares. Se observa que algunos materiales responden bien a ciertos tipos de procesos de
manufactura, y mal, o nada, a otros. ¿Cuáles son las características y propiedades de los materiales que determinan su capacidad para transformarse mediante procesos diferentes?
La parte I de este libro consta de tres capítulos que abordan esta pregunta y los aspectos que
se relacionan con ella. En el presente capítulo se analizan los cuatro tipos de materiales de la ingeniería que se utilizan en los procesos de manufactura y que están cubiertos por los capítulos
restantes del libro. Los cuatro tipos son 1) metales, 2) cerámicos, 3) polímeros y 4) compósitos.
En el capítulo 3 se estudian las propiedades mecánicas y físicas de estos materiales que son relevantes en la manufactura. Por supuesto, estas propiedades también son importantes en el diseño
del producto. El capítulo 4 se refiere a ciertos atributos de las piezas y los productos que se especifican en el diseño del producto y que se logran en la manufactura: dimensiones, tolerancias y
acabado superficial. El apéndice del capítulo 4 describe la forma en que se miden estos atributos.
* Nota del RT. Se conocen también como materiales compuestos. Sin embargo, por lo general se adopta el anglicanismo
compósito, proveniente del término composite.
16 CAPÍTULO 2
Materiales en la ingeniería
2.1 Metales y sus aleaciones
Los metales son los materiales más importantes en la ingeniería. Un metal es una categoría de
materiales que se caracterizan generalmente por tener propiedades de ductilidad, maleabilidad,
lustre y elevada conductividad eléctrica y térmica. La categoría incluye tanto a elementos metálicos como a sus aleaciones. Los metales tienen propiedades que satisfacen una variedad amplia
de requerimientos de diseño. Los procesos de manufactura con los que se les transforma en productos han sido creados y mejorados a lo largo de muchos años.
La importancia tecnológica y comercial de los metales se debe a las propiedades generales
siguientes, que poseen virtualmente todos los metales comunes:
• Rigidez y resistencia elevadas. Los metales pueden alearse para darles rigidez, resistencia y
dureza elevadas; se les utiliza para que proporcionen el marco estructural para la mayoría de
los productos de la ingeniería.
• Tenacidad. Los metales tienen la capacidad de absorber energía mejor que otras clases de
materiales.
• Conductividad eléctrica buena. Los metales son conductores debido a su enlace metálico,
que permite el movimiento libre de los electrones como transportadores de carga.
• Conductividad térmica buena. Los enlaces metálicos también explican por qué los metales
generalmente conducen el calor mejor que los cerámicos y los polímeros.
Además, ciertos metales tienen propiedades específicas que los hacen atractivos para aplicaciones especializadas. Muchos metales comunes se hallan disponibles a un costo relativamente
bajo por peso unitario, y sólo por esta razón con frecuencia son el material seleccionado.
Aunque ciertos metales son importantes como metales puros (por ejemplo, oro, plata, cobre), la mayor parte de las aplicaciones de ingeniería requiere de las propiedades mejoradas que
se obtienen con la aleación. Una aleación es un metal compuesto de dos o más elementos, al
menos uno de los cuales es metálico. Mediante las aleaciones es posible mejorar la resistencia, la
dureza y otras propiedades en comparación con los metales puros.
Las propiedades mecánicas de los metales pueden alterarse mediante el tratamiento térmico, el cual se refiere a varios tipos de ciclos de calentamiento y enfriamiento ejecutados sobre un
metal a fin de cambiar sus propiedades en forma benéfica. Estos ciclos alteran la microestructura
básica del metal, que a su vez determina las propiedades mecánicas. Algunas operaciones de
tratamiento térmico son aplicables sólo a algunos tipos de metales; por ejemplo, el tratamiento
térmico del acero para formar martensita está especializado de cierta forma, puesto que la martensita sólo puede ser de acero. Los tratamientos térmicos para los metales se analizan en el capítulo 20.
Los metales se convierten en piezas y productos que conllevan una variedad de procesos de
manufactura. La forma inicial de los metales difiere, lo que depende del proceso. Las categorías
principales son: 1) metal fundido, en la que la forma inicial es una pieza fundida; 2) metal forjado, en la que el metal ha sido trabajado o puede serlo (por ejemplo, rolado u otro modo de darle
forma) después de la fundición; en general, en comparación con los fundidos, a los metales forjados se les asocian propiedades mecánicas mejores, y 3) metal pulverizado, en la que el metal
es adquirido en forma de polvos muy finos para convertirlo en piezas por medio de técnicas metalúrgicas especiales para ello. La mayoría de los metales se encuentra disponible en las tres
formas. En este capítulo, el estudio se centrará en las categorías 1) y 2), que son las de un mayor
interés comercial y para la ingeniería. En el capítulo 10 se examinan las técnicas metalúrgicas
para polvos.
Los metales se clasifican en dos grupos principales: 1) ferrosos, los que se basan en el hierro,
y 2) no ferrosos, todos los demás. El grupo de los ferrosos puede subdividirse en aceros y tipos
de hierro fundido. Nuestro análisis en la sección presente se organiza en cuatro temas: 1) aceros,
2) hierros fundidos, 3) metales no ferrosos y 4) superaleaciones. Las superaleaciones incluyen a
los metales de alto desempeño que pueden ser ferrosos o no ferrosos.
2.1
Metales y sus aleaciones 17
2.1.1 Aceros
El acero es una de las dos categorías de las aleaciones ferrosas, que se basan en el hierro (Fe). La
otra es el hierro fundido (sección 2.1.2). Juntas constituyen aproximadamente 85% del tonelaje
en metales de Estados Unidos [10]. Nuestro análisis comenzará con los metales ferrosos examinando el diagrama de fase del hierro-carbono, que se muestra en la figura 2.1. El hierro puro se
funde a 1 539 °C (2 802 °F). Durante la elevación de la temperatura a partir de la del ambiente,
pasa por varias transformaciones de fase sólida, como se aprecia en el diagrama. Al comenzar
a temperatura ambiente la fase es alfa (α), también llamada ferrita. A 912 °C (1 674 °F), la ferrita se transforma en gamma (γ), denominada austenita. Ésta, a su vez, se convierte en delta (δ) a
1 394 °C (2 541 °F), en la que permanece hasta que se funde.
Los límites de solubilidad del carbono en el hierro son bajos en la fase de ferrita, sólo cerca
de 0.022% a 723 °C (1 333 °F). En la de austenita puede disolverse cerca de 2.1% de carbono
a una temperatura de 1 130 °C (2 066 °F). Esta diferencia de solubilidades entre la alfa y la gamma origina oportunidades para dar resistencia por medio de tratamiento térmico, pero eso se deja
para el capítulo 20. Aun sin tratamiento térmico, la resistencia del hierro se incrementa en forma
impresionante conforme aumenta el contenido de otro carbono, y se ingresa a la región en la que
el metal toma el nombre de acero. Con más precisión, el acero se define como una aleación de
hierro-carbono que contiene entre 0.02 y 2.11% de carbono.1 La mayoría de los aceros tienen
0.05 y 1.1% de carbono.
Además de las fases mencionadas, otra fase es notable en el sistema de la aleación hierrocarbono. Ésta es la del Fe3C, también llamada de cementita, que es una fase intermedia: un
compuesto metálico de hierro y carbono que es duro y frágil. A temperatura ambiente y en condiciones de equilibrio, las aleaciones de hierro-carbono forman un sistema de dos fases con niveles de carbono apenas por arriba de cero. El contenido de carbono de los aceros varía entre esos
niveles bajos y cerca de 2.1%. Por arriba de 2.1% de C y hasta 4 o 5%, la aleación se define como
hierro fundido.
1 800
3 200
Líquida (L)
δ
2 800
γ
1 000
1
L + Fe3C
2 000
1 130 °C (2 066 °F)
α +γ
α
γ + Fe3C Sólida
A1
723°C (1 333 °F)
600
FIGURA 2.1 Diagrama de fase
para el sistema hierro-carbono,
hasta 6% de carbono. (Crédito:
Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P.
Groover, 2010. Reimpreso con
autorización de John Wiley &
Sons, Inc.)
2 400
γ +L
1 200
800
α + Fe3C
Sólida
400
200
0
Fe
1 600
Temperatura, °F
Temperatura, °C
1 400
1
2
3
4
5
Porcentaje de carbono (C)
6
C
Ésta es la definición convencional de acero, pero existen excepciones. Un acero desarrollado recientemente para formar
hojas metálicas, llamado acero libre de intersticios, tiene un contenido de carbono de sólo 0.005%.
18 CAPÍTULO 2
Materiales en la ingeniería
Con frecuencia el acero incluye otros elementos de aleación, como manganeso, cromo, níquel y molibdeno; pero es el contenido de carbono lo que convierte al hierro en acero. Existen
cientos de composiciones de acero disponibles en el comercio. Aquí, para propósitos de organización, la gran mayoría de aceros comercialmente importantes se agrupan en las categorías siguientes: 1) aceros al carbono, 2) aceros de baja aleación, 3) aceros inoxidables y 4) aceros grado
herramienta.
Aceros al carbono Estos aceros contienen carbono como elemento principal de la aleación, y
sólo pequeñas cantidades de otros elementos, aproximadamente 0.4% de manganeso más cantidades menores de silicio, fósforo y azufre. La resistencia de los aceros al carbono se incrementa
con el contenido de éste; en la figura 2.2 se presenta una gráfica común de esa relación. Como
puede verse en la figura 2.1, el acero a temperatura ambiente es una mezcla de ferrita (α) y cementita (Fe3C). Las partículas de cementita distribuidas a través de la ferrita actúan como barreras contra la deformación; una mayor cantidad de carbono conduce a más barreras, y más barreras
implican un acero más resistente y más duro.
De acuerdo con un esquema de nomenclatura creado por el American Iron and Steel Institute
(AISI) y la Society of Automotive Engineers (SAE), los aceros al carbono se especifican por
medio de un sistema numérico de cuatro dígitos: 10XX, donde el 10 indica que el acero es al
carbono, y XX señala el porcentaje de carbono en centésimas de puntos porcentuales. Por ejemplo, un acero 1 020 contiene 0.20% de C. Es común que los aceros al carbono se clasifiquen en
tres grupos, de acuerdo con su contenido de carbono:
2.
3.
Aceros al bajo carbono Contienen menos de 0.20% de C y son, por mucho, los más utilizados. Las aplicaciones normales son en las piezas automotrices de lámina, placa de acero
para la fabricación y vías férreas. Es relativamente fácil dar forma a estos aceros, lo cual los
hace de uso muy difundido en aplicaciones que no requieren una resistencia elevada. Por lo
general, también los aceros fundidos caen en este rango de carbono.
Aceros al medio carbono Su contenido de carbono varía entre 0.20 y 0.50%, y se especifican para aplicaciones que requieren una resistencia mayor que las de los aceros al bajo carbono. Las aplicaciones incluyen componentes de maquinaria y piezas de motores como cigüeñales y bielas.
Aceros al alto carbono Contienen carbono en cantidades superiores a 0.50% y se especifican para aplicaciones que necesitan resistencias aún mayores, así como rigidez y dureza.
Algunos ejemplos son resortes, herramientas, cuchillas y piezas resistentes al desgaste.
FIGURA 2.2 Resistencia
al esfuerzo de tensión y
dureza, como función del
contenido de carbono en un
acero al carbono (laminado
en caliente, no tratado al
calor). (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P.
Groover, 2010. Reimpreso
con autorización de John
Wiley & Sons, Inc.)
Dureza, HB
220
200
160
120
80
~
~
Resistencia al esfuerzo de tensión,
MPa
240
800
120
Resistencia
al esfuerzo
de tensión
100
600
80
Dureza
60
400
40
200
20
0
0.2
0.4
0.6
0.8
% de carbono (C)
1.0
Resistencia al esfuerzo de tensión, 1 000 lb/pulg2
1.
El contenido creciente de carbono da resistencia y dureza al acero, pero reduce su ductilidad.
Asimismo, los aceros al alto carbono pueden ser tratados para formar martensita, lo que los hace
muy duros y fuertes (véase la sección 20.2).
2.1
Metales y sus aleaciones 19
Aceros de baja aleación Son aleaciones de hierro-carbono que contienen elementos adiciona-
les en cantidades que totalizan menos de 5% del peso. Debido a estas adiciones, los aceros de
baja aleación tienen propiedades mecánicas superiores a las del carbono para aplicaciones específicas. Las propiedades superiores por lo general significan más resistencia, dureza, dureza en
caliente, resistencia al desgaste, tenacidad y combinaciones más deseables de éstas. Es frecuente
que se requiera tratamiento térmico para lograr propiedades mejoradas.
Los elementos comunes de aleación que se agregan al acero son cromo, manganeso, molibdeno, níquel y vanadio, a veces en forma individual, pero por lo general en combinaciones. Es
frecuente que estos elementos formen soluciones sólidas con hierro y compuestos metálicos con
carbono (carburos), lo que supone que hay suficiente carbono presente para efectuar la reacción.
Los efectos de los ingredientes principales de la aleación se resumen como sigue:
• El cromo (Cr) mejora la resistencia, dureza, resistencia al desgaste, y dureza en caliente. Es
uno de los ingredientes de aleación más eficaces para incrementar la templabilidad (véase la
sección 20.2.3). En proporciones significativas, el Cr mejora la resistencia a la corrosión.
• El manganeso (Mn) mejora la resistencia y dureza del acero. Cuando éste se encuentra caliente, la templabilidad mejora con el aumento de manganeso. Debido a estos beneficios, el
manganeso es un ingrediente que se usa mucho en las aleaciones de acero.
• El molibdeno (Mo) incrementa la tenacidad y dureza en caliente. También mejora la templabilidad y forma carburos que dan resistencia al desgaste.
• El níquel (Ni) mejora la resistencia y la tenacidad. Incrementa la dureza, pero no tanto como
los otros elementos de las aleaciones del acero. En cantidades significativas mejora la resistencia a la corrosión y es el otro ingrediente principal (además del cromo) de ciertos tipos de
acero inoxidable.
• El vanadio (V) inhibe el crecimiento de granos durante el procesamiento a temperaturas
elevadas, lo cual mejora la resistencia y tenacidad del acero. También forma carburos que
incrementan la resistencia al desgaste.
En la tabla 2.1 se presentan las designaciones AISI-SAE de algunos aceros de baja aleación,
las cuales indican el análisis químico nominal. Como antes, el contenido del carbono está especificado por el término XX expresado en 1/100% de carbono. Para que esté completa, se incluyen
aceros al carbono (10XX). Las propiedades de los diferentes aceros y otros metales se definen y
tabulan en el capítulo 3.
Los aceros de baja aleación no sueldan con facilidad, en especial con niveles de carbono
medios y altos. Desde la década de 1960 la investigación ha estado dirigida al desarrollo de aceros al bajo carbono y baja aleación, que tengan razones mejores de resistencia/peso que los aceros
al carbono, pero que suelden mejor que los de baja aleación. Los productos creados a partir de
esos trabajos son los aceros de alta resistencia y baja aleación (HSLA, siglas en inglés de HighStrength-Low-Alloy). Por lo general tienen un contenido bajo de carbono (en el rango de 0.10 a
0.30% de C) más cantidades relativamente pequeñas de ingredientes de aleación (generalmente
alrededor de 3% del total). Una composición química típica es 0.12 C, 0.60 Mn, 1.1 Ni, 1.1 Cr,
0.35 Mo y 0.4 Si. Los aceros HSLA están rolados en caliente en condiciones controladas diseñadas para proporcionar mejor resistencia en comparación con los aceros al carbono, pero sin sacrificar la facilidad de darles forma o soldarlos. La resistencia se logra por medio de la aleación; el
tratamiento térmico de los aceros HSLA no es factible debido a su bajo contenido de carbono.
Aceros inoxidables Los aceros inoxidables constituyen un grupo de aceros altamente aleados
diseñados para proporcionar gran resistencia a la corrosión. El elemento principal de la aleación
del acero inoxidable es el cromo, por lo general arriba de 15%. El cromo de la aleación forma una
película de óxido impermeable, delgada, en una atmósfera oxidante, que protege a la superficie
de la corrosión. El níquel es otro ingrediente de aleación que se emplea en ciertos aceros inoxidables para incrementar la protección contra la corrosión. El carbono se utiliza para dar resistencia y endurecer el metal; sin embargo, el contenido creciente de carbono tiene el efecto de reducir
la protección contra la corrosión porque se forma carburo de cromo para reducir la cantidad de
Cr disponible en la aleación.
Además de la resistencia a la corrosión, los aceros inoxidables destacan por su combinación
de resistencia y ductilidad. Aunque estas propiedades son deseables en muchas aplicaciones, por
20 CAPÍTULO 2
TABLA 2.1
Materiales en la ingeniería
Designaciones AISI-SAE de los aceros
Análisis químico nominal
Código
Nombre del acero
Cr
10XX
11XX
12XX
13XX
20XX
31XX
40XX
41XX
43XX
46XX
47XX
48XX
50XX
52XX
61XX
81XX
86XX
88XX
92XX
93XX
98XX
Al carbono
Resulfurado
Resulfurado, refosforado
Manganeso
Aceros al níquel
Níquel-cromo
Molibdeno
Cromo-molibdeno
Ni-Cr-Mo
Níquel-molibdeno
Ni-Cr-Mo
Níquel-molibdeno
Cromo
Cromo
Cr-vanadio
Ni-Cr-Mo
Ni-Cr-Mo
Ni-Cr-Mo
Silicio-manganeso
Ni-Cr-Mo
Ni-Cr-Mo
Mn
Mo
0.4
0.9
0.9
1.7
0.5
0.4
0.5
1.4
0.8
0.4
0.5
0.5
1.2
0.8
0.8
0.8
0.7
0.6
0.6
0.6
0.4
0.4
0.8
0.8
0.8
0.8
0.8
0.6
0.8
V
0.6
1.2
0.6
1.0
0.8
Ni
0.25
0.2
0.25
0.25
0.2
0.25
1.8
1.8
1.0
3.5
0.1
0.2
0.35
0.3
0.5
0.5
0.1
0.25
3.2
1.0
0.1
P
S
Si
0.04
0.01
0.10
0.04
0.04
0.04
0.04
0.04
0.04
0.04
0.04
0.04
0.04
0.02
0.04
0.04
0.04
0.04
0.04
0.02
0.04
0.05
0.12
0.22
0.04
0.04
0.04
0.04
0.04
0.04
0.04
0.04
0.04
0.04
0.02
0.04
0.04
0.04
0.04
0.04
0.02
0.04
0.01
0.01
0.3
0.2
0.3
0.2
0.3
0.2
0.3
0.3
0.3
0.3
0.3
0.3
0.3
0.3
0.3
2.0
0.3
0.3
Fuente: [16].
lo general hacen a dichas aleaciones difíciles de trabajar en la manufactura. Asimismo, los aceros
inoxidables son significativamente más caros que los aceros al carbono o los de baja aleación.
Los aceros inoxidables se dividen por tradición en tres grupos, que reciben su nombre por la
fase predominante presente en la aleación a temperatura ambiente:
1.
2.
3.
Aceros inoxidables austeníticos Tienen una composición normal de alrededor de 18% de
Cr y 8% de Ni, y son los más resistentes a la corrosión de los tres grupos. Debido a esa composición, a veces se les identifica como inoxidables 18-8. No son magnéticos y son muy
dúctiles, pero las piezas muestran un endurecimiento significativo. El níquel tiene el efecto
de agrandar la región austenítica en el diagrama de fase de hierro-carbono, lo que los hace
estables a temperatura ambiente. Los aceros inoxidables austeníticos se emplean para fabricar equipo de procesamiento químico y de alimentos, así como piezas de maquinaria que
requieren alta resistencia a la corrosión.
Aceros inoxidables ferríticos Contienen de 15 a 20% de cromo, poco carbono y nada de
níquel. Esto produce una fase de ferrita a temperatura ambiente. Los aceros inoxidables ferríticos son magnéticos y menos dúctiles y resistentes a la corrosión que los austeníticos. Las
piezas fabricadas con ellos van desde utensilios de cocina hasta componentes de motores a
reacción.
Aceros inoxidables martensíticos Tienen un contenido de carbono más elevado que los ferríticos, lo que permite que se les dé resistencia por medio de tratamiento térmico (véase la
sección 20.2). Tienen hasta 18% de Cr pero nada de Ni. Son fuertes, duros y resistentes a
la fatiga, pero por lo general no tan resistentes a la corrosión como los de los otros dos grupos. Los productos más comunes incluyen instrumentos de corte y quirúrgicos.
La mayoría de los aceros inoxidables reciben su nombre con un esquema de numeración de
la AISI, de tres dígitos. El primero indica el tipo general, y los últimos dos dan el grado específico dentro del tipo. La tabla 2.2 lista los aceros inoxidables más comunes con sus composiciones
normales y propiedades mecánicas.
2.1
TABLA 2.2
Metales y sus aleaciones 21
Composiciones de aceros inoxidables seleccionados
Análisis químico, %
Tipo
Austenítico
301
302
304
309
316
Ferrítico
405
430
Martensítico
416
440
Fe
Cr
Ni
C
Mn
Otroa
73
71
69
61
65
17
18
19
23
17
7
8
9
13
12
0.15
0.15
0.08
0.20
0.08
2
2
2
2
2
2.5 Mo
85
81
13
17
–
–
0.08
0.12
1
1
85
81
13
17
–
–
0.15
0.65
1
1
Recopilado a partir de la referencia [16].
a Todos los grados de la tabla contienen cerca de 1% (o menos) de silicio más cantidades pequeñas (muy por debajo de
1%) de fósforo y azufre y otros elementos como aluminio.
Los aceros para herramientas son una clase (por lo general) altamente aleada diseñada para su uso en herramientas de corte industriales, dados y moldes. Para
desempeñarse en esas aplicaciones deben poseer resistencia elevada, dureza, dureza en caliente,
resistencia al desgaste y tenacidad a los impactos. Para obtener estas propiedades los aceros para
herramienta se tratan térmicamente. Las razones principales para los niveles altos de elementos
de aleación son: 1) dureza mejorada, 2) distorsión reducida durante el tratamiento térmico, 3)
dureza en caliente, 4) formación de carburos metálicos duros para que sean resistentes a la abrasión y 5) tenacidad mejorada.
Los aceros para herramientas se clasifican de acuerdo con su aplicación y su composición.
Para identificar el tipo de acero de herramienta, AISI utiliza un esquema de clasificación basado
en un prefijo, definido en la siguiente lista:
Aceros grado herramienta
T, MAceros grado herramienta de alta velocidad Se usan como herramientas de corte en
procesos de maquinado (véase la sección 17.2.1). Se formulan para que tengan gran
resistencia al desgaste y dureza en caliente. Los aceros de alta velocidad originales
(HSS) se crearon alrededor de 1900. Permitieron incrementos muy grandes en la velocidad de corte en comparación con herramientas que se usaban con anterioridad, de ahí
su nombre. Las dos designaciones AISI indican el elemento principal de la aleación: T
por el tungsteno y M por el molibdeno.
H
Aceros grado herramienta para trabajos en caliente Están pensados para usarse con
dados de trabajo en caliente para forjado, extrusión y moldes para fundición.
Aceros grado herramienta para trabajos en frío Son aceros para dados que se emD
plean en operaciones de trabajo en frío, como moldear láminas metálicas, extrusión en
frío y ciertas operaciones de forja. La designación D es por dado (dice). Se relacionan
de cerca con las designaciones de AISI A y O, que son para tratamientos con aire (air) y
aceite (oil). Proporcionan buena resistencia al desgaste.
Aceros grado herramienta endurecidos por agua Tienen contenido elevado de carW
bono con poco o nada de otros elementos de aleación. Sólo pueden endurecerse con
enfriamiento por inmersión rápida en agua. Se emplean mucho debido a su bajo costo,
pero se limitan a aplicaciones de temperatura baja. Una aplicación común son los dados
para cabezas de clavos y pernos en frío.
Aceros grado herramienta resistentes a los golpes Están hechos para usarse en apliS
caciones en las que se requiere mucha tenacidad, como en muchos cortes de lámina
metálica, punzonado y operaciones de doblado.
Aceros para moldes Se utilizan para fabricar moldes para plásticos y caucho.
P
22 CAPÍTULO 2
Materiales en la ingeniería
L
Aceros grado herramienta de baja aleación
nes especiales.
Por lo general se reservan para aplicacio-
Los aceros para herramientas no son los únicos materiales para ellas. En nuestra cobertura
de los procesos de manufactura se describirá una gran variedad de herramientas, así como los
materiales de los que están fabricadas. Los materiales incluyen el carbono simple y las aleaciones
bajas de acero, hierros fundidos y cerámicos.
2.1.2
Hierros fundidos
El hierro fundido es una aleación de hierro que contiene de 2.1 a 4% de carbono, y de 1 a 3% de
silicio. Su composición lo hace muy apropiado como metal de fundición. En realidad, el peso en
toneladas de los artículos de hierro fundido es varias veces el de todas las demás piezas de metales fundidos combinados (con excepción de los lingotes que se fabrican durante la producción de
acero y que posteriormente son rolados en barras, láminas y otras formas similares). El peso total
en toneladas del hierro fundido ocupa el segundo lugar, sólo después del acero entre todos los
metales.
Hay varios tipos de hierro fundido, y el más importante es el gris. Otros tipos incluyen el
hierro dúctil, el hierro blanco, el hierro maleable y varios hierros fundidos de aleaciones. Los hierros dúctiles y los maleables poseen químicas similares a las de los hierros gris y blanco, respectivamente, pero resultan de tratamientos especiales que se describirán más adelante. En la tabla
2.3 se presenta una lista de las composiciones químicas de los tipos principales.
Éste tiene el tonelaje mayor entre los hierros fundidos. Tiene una composición que
va de 2.5 a 4% de carbono y de 1 a 3% de silicio. Esta química da como resultado la formación
de hojuelas de grafito (carbono) distribuidas en todo el cuerpo fundido hasta que se solidifica. La
estructura ocasiona que la superficie del metal adquiera un color gris cuando se fractura, de donde adquiere su nombre. La dispersión de las hojuelas de grafito es responsable de dos propiedades atractivas: 1) buen amortiguamiento a la vibración, que es deseable en los motores y otra
clase de maquinaria y 2) cualidades de lubricación interna, lo que hace maquinable al metal
fundido.
La American Society for Testing of Materials (ASTM) usa un método de clasificación para el
hierro gris hecho para proporcionar una especificación para la resistencia al esfuerzo (TS) mínima
Hierro gris
TABLA 2.3
Composiciones de hierros fundidos seleccionados
Composición normal, %
Tipo
Hierros grises
ASTM Clase 20
ASTM Clase 30
ASTM Clase 40
ASTM Clase 50
Hierros dúctiles
ASTM A395
ASTM A476
Hierro blanco
Bajo C
Hierros maleables
Ferrítico
Perlítico
Fe
C
Si
Mn
Otroa
93.0
93.6
93.8
93.5
3.5
3.2
3.1
3.0
2.5
2.1
1.9
1.6
0.65
0.75
0.85
1.0
0.67 Mo
94.4
93.8
3.0
3.0
2.5
3.0
92.5
2.5
1.3
0.4
1.5Ni, 1Cr, 0.5Mo
95.3
95.1
2.6
2.4
1.4
1.4
0.4
0.8
Recopilado a partir de la referencia [16]. Los hierros fundidos se identifican con varios sistemas. Se ha intentado indicar
el grado del hierro fundido en particular con el empleo de la identificación más común para cada tipo.
a Los hierros fundidos también contienen fósforo y azufre, por lo general menos de 0.3%.
2.1
Metales y sus aleaciones 23
de varias clases: el hierro gris de Clase 20 tiene una TS de 138 MPa (20 000 lb/pulg2), la Clase 30
tiene una TS de 207 MPa (30 000 lb/pulg2), y así sucesivamente. La resistencia a la compresión
del hierro gris es significativamente mayor que a la tensión. Las propiedades de la pieza fundida
se pueden controlar hasta cierto grado por medio del tratamiento térmico. La ductilidad del hierro
gris es muy baja; es un material relativamente frágil. Los productos hechos de hierro gris incluyen monoblocks y cárteres de motores automotrices, carcasas de motor y bancadas para máquinas herramientas.
Hierro dúctil Éste es un hierro con la composición del gris en el cual el metal fundido recibe
tratamiento químico antes de vaciarlo para ocasionar la formación de esferoides de grafito en
lugar de hojuelas. Esto da como resultado un hierro más dúctil y fuerte, de ahí su nombre. Las
aplicaciones incluyen componentes de maquinaria que requieren resistencia elevada y buena resistencia al desgaste.
Este hierro fundido tiene menos carbono y silicio que el gris. Se forma por un
enfriamiento más rápido del metal fundido después del vertido, lo que hace que el carbono permanezca en combinación química con el hierro en forma de cementita (Fe3C), en vez de precipitarse de la solución en forma de hojuelas. Cuando se fractura, la superficie adquiere una apariencia cristalina blanca que le da su nombre al hierro. Debido a la cementita, el hierro fundido
blanco es duro y frágil, y su resistencia al desgaste es excelente. Estas propiedades hacen que el
hierro blanco sea apropiado para aplicaciones en las que se requiere resistencia al desgaste. Un
buen ejemplo son las balatas de los frenos de un ferrocarril.
Hierro blanco
Hierro maleable Cuando las piezas fundidas de hierro blanco se tratan térmicamente para separar el carbono de la solución y formar agregados de grafito, el metal que resulta se llama hierro
maleable. La microestructura nueva posee ductilidad sustancial en comparación con el metal a
partir del cual se transformó. Los productos comunes hechos de hierro fundido maleable incluyen implementos y bisagras para tubos, ciertos componentes de máquina y piezas de equipo ferroviario.
2.1.3
Metales no ferrosos
Los metales no ferrosos incluyen elementos y aleaciones metálicas que no se basan en el hierro. Los
metales más importantes de la ingeniería en el grupo de los no ferrosos son aluminio, cobre, magnesio, níquel, titanio y zinc, así como sus aleaciones. Aunque los metales no ferrosos como grupo
no igualan la resistencia de los aceros, ciertas aleaciones no ferrosas tienen resistencia a la corrosión o relaciones resistencia/peso que las hacen competitivas ante los aceros para aplicaciones
con esfuerzos moderados a altos. Además, muchos de los metales no ferrosos tienen propiedades
adicionales a las mecánicas que los hacen ideales para aplicaciones en las que el acero sería inapropiado. Por ejemplo, el cobre tiene una resistencia eléctrica entre las más bajas de los metales,
y se usa ampliamente para fabricar conductores eléctricos. El aluminio es un conductor térmico
excelente, y sus aplicaciones incluyen intercambiadores térmicos y trastos de cocina. También es
uno de los metales al que se le da forma con mayor facilidad y por esa razón se le valora mucho.
El zinc tiene un punto de fusión relativamente bajo, por lo que se le utiliza de manera amplia en
operaciones de fundición con dados. Los metales no ferrosos comunes tienen su propia combinación de propiedades que los hacen atractivos para una variedad de aplicaciones. En los siguientes
párrafos se estudian los metales no ferrosos más importantes en los ámbitos comercial y tecnológico.
El aluminio y el magnesio son metales ligeros, y por esta característica es frecuente que se les especifique en aplicaciones de ingeniería. Ambos elementos
abundan en nuestro planeta, el aluminio en la tierra (el mineral principal es la bauxita) y el magnesio en el mar, aunque ninguno se extrae con facilidad de su estado natural.
El aluminio tiene mucha conductividad eléctrica y térmica, y su resistencia a la corrosión es
excelente debido a la formación de una película superficial de óxido, delgada y dura. Es un metal
muy dúctil y es notable la capacidad que tiene para adquirir la forma deseada. El aluminio puro
El aluminio y sus aleaciones
24 CAPÍTULO 2
Materiales en la ingeniería
TABLA 2.4a)
Nomenclatura de aleaciones de aluminio forjado y fundido
Grupo de aleación
Código para forjado
Código para fundido
Aluminio, pureza de 99.0% o mayor
Aleaciones de aluminio, por elemento(s) principal(es):
Cobre
Manganeso
Silicio + cobre y/o magnesio
Silicio
Magnesio
Magnesio y silicio
Zinc
Estaño
Otros
1XXX
1XX.X
2XXX
3XXX
2XX.X
4XXX
5XXX
6XXX
7XXX
8XXX
3XX.X
4XX.X
5XX.X
7XX.X
8XX.X
9XX.X
Fuente: [17].
tiene resistencia relativamente baja, pero se puede alear y tratar térmicamente para competir con
ciertos aceros, en especial cuando el peso es un factor importante.
El sistema de nomenclatura para el aluminio es un código numérico de cuatro dígitos. El
sistema tiene dos partes, una para el aluminio forjado y otra para los aluminios fundidos. La diferencia es que para estos últimos se emplea un punto decimal después del tercer dígito. En la
tabla 2.4a) se presentan las designaciones.
Debido a que en las propiedades de las aleaciones de aluminio influyen mucho el endurecimiento por trabajo y el tratamiento térmico, además del código de composición, debe designarse
el revenido (tratamiento para dar resistencia, si lo hubiera). En la tabla 2.4b) se presentan las
designaciones principales de revenido. Esta designación se agrega al número precedente de cuatro dígitos, separado por un guión, para indicar el tratamiento o la ausencia de él; por ejemplo,
2024-T3.
Por supuesto, los tratamientos de revenido que especifican endurecimiento por deformación
no se aplican a las aleaciones fundidas. En la tabla 2.5 se presentan las composiciones de algunas
aleaciones de aluminio seleccionadas.
TABLA 2.4b)
Nomenclatura del revenido para aleaciones de aluminio
Revenido
Descripción
F
H
Como se fabrica, sin tratamiento especial.
Endurecido por deformación (aluminios forjados). La H va seguida de dos dígitos,
el primero de los cuales indica un tratamiento térmico, si lo hubiera; y el segundo, el
grado de endurecimiento por trabajo restante; por ejemplo: H1X No hubo tratamiento térmico después del endurecimiento por deformación, y X = 1 a 9, e indica el
grado de endurecimiento por trabajo.
Recocido para liberar el endurecimiento por deformación y mejorar la ductilidad; reduce la resistencia a su nivel mínimo.
Tratamiento térmico para producir revenido estable, diferentes a F, H u O. Va seguido
de un dígito para indicar un tratamiento específico; por ejemplo:
T1 = enfriado a partir de una temperatura elevada, envejecido en forma natural.
T2 = enfriado desde una temperatura elevada, trabajado en frío, envejecido en forma
natural.
T3 = solución tratada térmicamente, trabajada en frío, envejecida de modo natural;
etcétera.
Solución con tratamiento térmico, aplicada a aleaciones que se endurecen por el envejecimiento en su uso; es un revenido inestable.
O
T
W
Fuente: [17].
2.1
TABLA 2.5
Metales y sus aleaciones 25
Composiciones de aleaciones de aluminio seleccionadas
Composición normal, %a
Código
1 050
1 100
2 024
3 004
4 043
5 050
Al
99.5
99.0
93.5
96.5
93.5
96.9
Cu
Fe
4.4
0.3
0.3
0.2
0.4
0.6
0.5
0.7
0.8
0.7
Mg
Mn
Si
1.5
1.0
0.6
1.2
1.4
0.1
0.3
0.3
0.5
0.3
5.2
0.4
Recopilado a partir de la referencia [17].
a Además de los elementos que se listan, la aleación puede contener indicios de otros elementos como cobre, magnesio,
manganeso, vanadio y zinc.
El magnesio y sus aleaciones El magnesio (Mg) es el más ligero de los metales estructurales;
su gravedad específica es de 1.74. El magnesio y sus aleaciones se encuentran disponibles tanto
en forma forjada como fundida. Es relativamente fácil de maquinar. Sin embargo, en todo procesamiento del magnesio, las partículas pequeñas del metal (como pequeñas virutas metálicas procedentes del corte) se oxidan con rapidez, por lo que debe tenerse cuidado para evitar el peligro
de incendio.
Como metal puro, el magnesio es relativamente suave y carece de la resistencia suficiente
para la mayor parte de las aplicaciones de la ingeniería. Sin embargo, se puede alear y tratar térmicamente para que alcance resistencias comparables a las de las aleaciones del aluminio. En
particular, su relación resistencia-peso es una ventaja en los aviones y componentes de misiles.
El esquema de nomenclatura del magnesio usa un código alfanumérico de tres a cinco caracteres. Los primeros dos son letras que identifican los elementos principales de la aleación (pueden especificarse hasta dos elementos en el código, en orden decreciente de porcentaje, o en
forma alfabética si los porcentajes son iguales). Por ejemplo A = aluminio (Al), K = zirconio
(Zr), M = manganeso (Mn) y Z = zinc (Zn). Las letras van seguidas de un número de dos dígitos
que indican, respectivamente, las cantidades de dos ingredientes de aleación al porcentaje más
cercano. Finalmente, el último símbolo es una letra que indica cierta variación en la composición,
o tan sólo el orden cronológico en el que se estandarizó para su disponibilidad comercial. Las
aleaciones de magnesio también requieren la especificación del revenido, y para ellas se emplea
el mismo esquema básico que para el aluminio que se presentó en la tabla 2.4b). En la tabla 2.6
se dan algunos ejemplos de aleaciones de magnesio, que ilustran el esquema de nomenclatura.
El cobre y sus aleaciones El cobre puro (Cu) tiene un color rojizo o rosa distintivo, pero su
propiedad de ingeniería más notable es su resistividad eléctrica baja, uno de los elementos con la
más baja. Debido a esta propiedad, y a su abundancia relativa en la naturaleza, el cobre puro comercial se usa mucho como conductor eléctrico (aquí se debe decir que la conductividad del cobre disminuye de manera significativa si se agregan elementos de aleación). El Cu también es un
conductor térmico excelente. El cobre es uno de los metales nobles (el oro y la plata también lo
TABLA 2.6
Composiciones de aleaciones de magnesio seleccionadas
Composición normal, %
Código
Mg
Al
Mn
Si
Zn
AZ10A
AZ80A
ZK21A
AM60
AZ63A
98.0
91.0
97.1
92.8
91.0
1.3
8.5
0.2
0.1
6.0
6.0
0.1
0.5
0.4
0.5
2.3
0.2
3.0
Recopilado a partir de la referencia [17].
Otro
6 Zr
0.3 Cu
26 CAPÍTULO 2
Materiales en la ingeniería
TABLA 2.7
Composiciones de aleaciones de cobre seleccionadas
Composición normal, %
Código
Cu
C10100
C11000
C17000
C24000
C26000
C52100
C71500
99.99
99.95
98.0
80.0
70.0
92.0
70.0
Be
Ni
1.7
a
Sn
Zn
20.0
30.0
8.0
30.0
Recopilada a partir de la referencia [17].
a Cantidades pequeñas de Ni y Fe + 0.3 Co.
son), por lo que es resistente a la corrosión. Todas esas propiedades se combinan para que el cobre sea uno de los metales más importantes.
En contraparte, la resistencia y dureza del cobre son relativamente bajas, en especial si se
toma en cuenta el peso. En consecuencia, para mejorar la resistencia (así como por otras razones)
es frecuente que el cobre se alee. El bronce es una aleación de cobre y estaño (es común 90% de
Cu y 10% de Sn), que hoy se usa todavía a pesar de su antigüedad. Se han desarrollado aleaciones
de bronce adicionales, con base en otros elementos distintos del estaño; entre éstos se hallan
bronces de aluminio y bronces de silicio. El latón es otra aleación de cobre que resulta familiar,
compuesta de cobre y zinc (es común que contenga 65% de cobre y 35% de zinc). La aleación de
cobre con mayor resistencia es la del berilio-cobre con tratamiento térmico (con sólo 2% de berilio), la cual se usa para hacer resortes.
La nomenclatura de las aleaciones de cobre se basa en el Unified Numbering System for
Metals and Alloys (UNS), que emplea un número de cinco dígitos precedido de la letra C (de
cobre). Las aleaciones se procesan en formas forjadas y fundidas, y el sistema de nomenclatura
incluye ambas. En la tabla 2.7 se presentan algunas aleaciones de cobre con sus composiciones.
El níquel y sus aleaciones En muchos aspectos, el níquel (Ni) es similar al hierro. Es magné-
tico y su módulo de elasticidad es virtualmente el mismo que el del hierro y el acero. Sin embargo, es mucho más resistente a la corrosión y las propiedades de alta temperatura de sus aleaciones
por lo general son superiores. Debido a sus características de resistencia a la corrosión, se usa
mucho como elemento de aleación en el acero, como en los aceros inoxidables, y como metal de
recubrimiento de otros metales, como el acero al carbono.
Las aleaciones de níquel tienen importancia comercial por sí mismas, y son notables por su
resistencia a la corrosión y desempeño a altas temperaturas. En la tabla 2.8 se da la composición
de algunas aleaciones de níquel. Además, cierto número de superaleaciones se basan en el níquel
(véase la sección 2.1.4).
El titanio y sus aleaciones El titanio (Ti) es abundante en la naturaleza, constituye cerca de
1% de la corteza terrestre (el más abundante es el aluminio, con 8%). La gravedad específica del
Ti es de 4.7, entre el aluminio y el hierro. En las últimas décadas su importancia ha crecido debido a sus aplicaciones aeroespaciales, en las que se aprovechan su peso ligero y razón resistenciapeso buena.
El coeficiente de expansión térmica del titanio es relativamente bajo entre los metales. Es
más rígido y fuerte que el aluminio, y a altas temperaturas conserva buena resistencia. El titanio
puro es reactivo, lo que da problemas durante el procesamiento, en especial en estado fundido.
Sin embargo, a temperatura ambiente forma una película delgada de óxido (TiO2) adhesivo que
recubre y proporciona una resistencia excelente contra la corrosión. Estas propiedades han dado
lugar a dos áreas principales de aplicación del titanio: 1) en estado puro comercial, el Ti se emplea para hacer componentes resistentes a la corrosión, como elementos marinos e implantes
ortopédicos y 2) las aleaciones de titanio se emplean como componentes de resistencia elevada
en temperaturas que van de la del ambiente a 550 °C (1 000 °F), en especial en las que se aprove-
2.1
TABLA 2.8
Metales y sus aleaciones 27
Composición de aleaciones de níquel seleccionadas
Composición normal, %
Código
270
200
400
600
230
Ni
Cr
Cu
Fe
a
99.9
99.0
66.8
74.0
52.8
0.2
30.0
0.5
16.0
22.0
Mn
Si
0.2
0.2
1.0
0.4
0.2
0.5
0.5
0.4
Otro
a
0.3
2.5
8.0
3.0
C, S
C
b
Recopilada a partir de la referencia [17].
a Indicios.
b Otros ingredientes de aleación en grado 230 son: 5% Co, 2% Mo, 14% W, 0.3% Al y 0.1% C.
cha su excelente razón resistencia-peso. Estas aplicaciones recientes incluyen componentes de
aeronaves y misiles. Algunos de los elementos de aleación que se utilizan con el titanio incluyen
aluminio, manganeso, estaño y vanadio. En la tabla 2.9 se presentan algunas composiciones de
varias de sus aleaciones.
El zinc y sus aleaciones Su punto de fusión bajo hace que el zinc (Zn) sea atractivo como
metal de fundición. También da protección contra la corrosión cuando se le usa como recubrimiento del acero o hierro; el acero galvanizado es acero recubierto con zinc.
En la tabla 2.10 se listan varias aleaciones de zinc, con los datos de su composición y sus
aplicaciones. Las aleaciones del zinc se utilizan mucho en fundición con dados para producir
componentes en masa para las industrias automotriz y de aparatos. Otra aplicación mayor del
zinc se tiene en el acero galvanizado, donde el acero se recubre con zinc para protegerlo de la
corrosión. Un tercer uso importante del zinc es para producir latón. Como ya se mencionó, esa
aleación consiste en cobre y zinc, en la razón de 2/3 de Cu y 1/3 de Zn, aproximadamente. Por
último, los lectores podrían estar interesados en saber que la moneda de un centavo de Estados
Unidos es en su mayor parte de zinc. Los centavos se acuñan en zinc y después se electrorrecubren con cobre, de manera que las proporciones finales son de 97.5% de zinc y 2.5% de cobre. La
producción de cada centavo le cuesta a la casa de moneda estadounidense aproximadamente 1.5
centavos.
2.1.4
Superaleaciones
Las superaleaciones constituyen una categoría que involucra a los metales ferrosos y no ferrosos.
Algunas de ellas están basadas en el hierro, mientras otras lo están en el níquel y el cobalto. En
realidad, muchas de las superaleaciones contienen cantidades sustanciales de tres o más metales,
en lugar de un solo metal base más elementos de aleación. No obstante que el tonelaje de estos
metales no es significativo en comparación con la mayoría de los demás metales que se han estu-
TABLA 2.9
Composiciones de aleaciones de titanio seleccionadas
Composición normal, %
Códigoa
Ti
Al
R50250
R56400
R54810
R56620
99.8
89.6
90.0
84.3
6.0
8.0
6.0
Recopilada a partir de las referencias [1] y [17].
a United Numbering System (UNS).
b Indicios de C, H, O.
Cu
Fe
0.2
0.3
0.8
0.8
V
Otro
4.0
1.0
6.0
b
1 Mo,b
2 Sn,b
28 CAPÍTULO 2
Materiales en la ingeniería
TABLA 2.10
Composiciones y aplicaciones de aleaciones de zinc seleccionadas
Composición normal, %
Códigoa
Zn
Al
Cu
Mg
Fe
Z33520
Z35540
Z35635
Z35840
Z45330
95.6
93.4
91.0
70.9
98.9
4.0
4.0
8.0
27.0
0.25
2.5
1.0
2.0
1.0
0.04
0.04
0.02
0.02
0.01
0.1
0.1
0.06
0.07
Aplicación
Fundición con dados
Fundición con dados
Aleación de fundición
Aleación de fundición
Aleación rolada
Recopilada a partir de la referencia [17].
a UNS – United Numbering System para metales.
diado en este capítulo, tienen importancia comercial porque son muy caros; y también la tienen
en cuanto a tecnología por lo que hacen.
Las superaleaciones son un grupo de aleaciones de alto rendimiento diseñadas para satisfacer requerimientos muy exigentes de fortaleza y resistencia a la degradación de su superficie
(corrosión y oxidación) a varias temperaturas de uso. Para estos metales, la resistencia a la temperatura ambiente convencional no es un criterio importante, y la mayoría de ellos tiene propiedades al respecto que son buenas pero no extraordinarias. Lo que los distingue es su desempeño
ante temperaturas elevadas; las propiedades mecánicas de interés son su resistencia al esfuerzo,
dureza en caliente, resistencia al agrietamiento, y a la corrosión a temperaturas muy elevadas. Es
frecuente que las temperaturas de operación estén en la cercanía de los 1 100 °C (2 000 °F). Estos
metales se emplean mucho en sistemas de turbinas de gas, motores a reacción y de cohetes, turbinas de vapor, y plantas de energía nuclear, en los que la eficiencia de operación se incrementa
con las temperaturas elevadas.
Por lo general, las superaleaciones se dividen en tres grupos, de acuerdo con su constituyente principal: hierro, níquel o cobalto.
• Aleaciones basadas en el hierro Como ingrediente principal tienen hierro, aunque en ciertos casos éste es menor de 50% de la composición total. Los elementos típicos de aleación
incluyen níquel, cobalto y cromo.
• Aleaciones basadas en el níquel Por lo general tienen mejor resistencia a las temperaturas
altas que los aceros aleados. El níquel es el metal base. Los elementos principales de la aleación son el cromo y el cobalto; otros menores son aluminio, titanio, molibdeno, niobio (Nb)
y hierro.
• Aleaciones basadas en el cobalto Tienen al cobalto (entre 40 y 50%) y al cromo (de 20 a
30%) como sus componentes principales. Otros elementos de la aleación incluyen níquel,
molibdeno y tungsteno.
En prácticamente todas las superaleaciones, inclusive las basadas en hierro, darle resistencia
se lleva a cabo mediante endurecimiento por precipitación (sección 20.3). Las superaleaciones
con base en el hierro no usan la formación de martensita para obtener su resistencia.
2.2
Cerámicos
La importancia de los cerámicos como materiales de la ingeniería se deriva de su abundancia en
la naturaleza y sus propiedades mecánicas y físicas, que son muy diferentes de las de los metales.
Un material cerámico es un compuesto inorgánico que consiste en un metal (o semimetal) y uno
o más no metales. Los ejemplos importantes de materiales importantes son el sílice, o dióxido de
silicio (SiO2), ingrediente principal de la mayoría de los productos de vidrio, la alúmina, u óxido
de aluminio (Al2O3), que se utilizan en aplicaciones que van de abrasivos a huesos artificiales; y
compuestos más complejos como el silicato de aluminio hidratado (Al2Si2O5(OH)4), conocido
como caolinita, ingrediente principal de la mayoría de los productos de arcilla (por ejemplo, los
2.2 Cerámicos 29
ladrillos y las vasijas). Los elementos de estos compuestos son los más comunes en la corteza
terrestre. El grupo incluye muchos compuestos adicionales, algunos de los cuales ocurren de
manera natural, en tanto que otros son manufacturados.
Las propiedades generales que hacen a los materiales cerámicos útiles para los productos de
ingeniería son la alta dureza, características buenas de aislamiento térmico y eléctrico, estabilidad química y temperaturas de fusión elevadas. Algunos cerámicos son traslúcidos (el ejemplo
más claro es el vidrio para ventanas). También son frágiles y virtualmente no poseen ductilidad,
lo que causa problemas tanto en su procesamiento como en su desempeño.
Para fines de organización, los materiales cerámicos se clasifican en tres tipos básicos: 1) cerámicos tradicionales, silicatos que se emplean en productos de arcilla como vasijas y ladrillos,
abrasivos comunes y cemento; 2) nuevos cerámicos, creados recientemente con base en materiales que no son silicatos, como óxidos y carburos, y que por lo general poseen propiedades
mecánicas o físicas que las hacen superiores o únicas si se les compara con los cerámicos tradicionales, y 3) vidrios, con base sobre todo en sílice y que se distinguen de otros cerámicos por su
estructura no cristalina. Además de los tres tipos básicos, se tienen vidrio-cerámicos, vidrios que
han sido transformados en una estructura cristalina grande por medio del tratamiento térmico.
Los procesos de manufactura para estos materiales se cubren en los capítulos 7 (trabajo con vidrios) y 11 (procesamiento de partículas de cerámicos tradicionales y nuevos).
2.2.1
Cerámicos tradicionales
Estos materiales se basan en silicatos minerales, sílice y óxidos minerales. Los productos principales son el barro cocido (vasijas, vajillas, ladrillos y mosaicos), cemento y abrasivos naturales
como la alúmina. Estos productos, y los procesos que se utilizan para fabricarlos, se remontan a
miles de años. El vidrio también es un material cerámico y con frecuencia se le incluye en el
grupo de los materiales cerámicos tradicionales [12], [13]. En una sección posterior se estudia al
vidrio debido a que su estructura vítrea o amorfa lo diferencia de los materiales cristalinos mencionados (el término vítreo significa vidrioso, o que posee características del vidrio).
Materias primas Los silicatos minerales, como las arcillas de distintas composiciones y el sílice, como el cuarzo, se encuentran entre las sustancias más abundantes en la naturaleza y constituyen las materias primas principales de los materiales cerámicos tradicionales. Las arcillas son
las materias primas que se emplean más en los cerámicos. Consisten en partículas finas de silicatos
de aluminio hidratados que se transforman en una sustancia plástica deformable y moldeable si se
les mezcla con agua. Las arcillas más comunes se basan en el mineral caolinita (Al2Si2O5(OH)4).
La composición de otros minerales de arcilla varía, tanto en proporciones como en ingredientes
básicos y contenido de otros elementos como magnesio, sodio y potasio.
Además de la plasticidad que adquieren cuando se les mezcla con agua, una segunda característica de la arcilla que la hace muy útil es que se convierte en un material fuerte y denso cuando se calienta a una temperatura suficientemente elevada. El tratamiento con calor se conoce
como cocimiento. Las temperaturas que son adecuadas para el cocimiento dependen de la composición de la arcilla. Así, puede darse forma a la arcilla cuando está húmeda y suave, y luego se
cuece para obtener el producto final de cerámico duro.
El sílice (SiO2) es otra materia prima importante para los cerámicos tradicionales. Es el
componente principal del vidrio, e ingrediente principal de otros productos de cerámico que incluyen vajillas, refractarios y abrasivos. El sílice existe en la naturaleza en varias formas, y la más
importante de ellas es el cuarzo. La fuente principal del cuarzo es la arenisca. La abundancia de
arenisca y la facilidad relativa de su procesamiento significan que el costo del sílice es bajo; también es duro y de química estable. A estas características se debe su uso tan extenso en los productos cerámicos. Por lo general se mezcla en proporciones distintas con arcilla y otros minerales
a fin de obtener características apropiadas en el producto final. El feldespato es otro de los minerales que se emplea con frecuencia. El feldespato es cualquiera de varios minerales cristalinos
que consisten en silicato de aluminio combinado con cualquiera de los elementos potasio, sodio,
calcio o bario. Las mezclas de arcilla, sílice y feldespato se utilizan para fabricar vasijas, porcelana y otros artículos de comedor.
30 CAPÍTULO 2
Materiales en la ingeniería
Otra materia prima importante para los cerámicos tradicionales es la alúmina. La mayor parte de ésta se procesa a partir del mineral bauxita, que es una mezcla impura de óxido de aluminio
hidratado e hidróxido de aluminio más componentes similares de hierro y manganeso. La bauxita
también es la mena principal para producir aluminio metálico. Una forma más pura pero menos
común del Al2O3 es el mineral corindón, que contiene alúmina en cantidades masivas. Las gemas
llamadas zafiro y rubí son formas ligeramente impuras de cristales de corindón. El cerámico de
alúmina se emplea como abrasivo en piedras abrasivas y como ladrillos refractarios para hornos.
El carburo de silicio, otro cerámico que se emplea mucho como abrasivo, no ocurre en forma de mineral. En vez de ello se produce con el calentamiento de mezclas de arena (fuente de
silicio) y coque (carbón) a una temperatura de alrededor de 2 200 °C (3 900 °F), por lo que la
reacción química resultante forma SiC y monóxido de carbono.
Productos cerámicos tradicionales Los minerales estudiados antes son los ingredientes de
una variedad de productos cerámicos. El estudio en este texto está organizado por categorías
principales de los productos cerámicos tradicionales. El análisis se limita a los materiales que se
usan en forma común con productos manufacturados, con lo que se omiten ciertos cerámicos de
importancia comercial, como el cemento.
• Vasijas y vajillas Esta categoría es una de las más antiguas, tiene miles de años de antigüedad; aún es una de las más importantes. Incluye productos de vajillas que toda la gente usa:
vasijas de barro, cerámica de gres y porcelana. La materia prima de estos productos es
la arcilla, por lo general combinada con otros minerales como sílice y feldespato. A la mezcla húmeda se le da forma y después se cuece para producir la pieza terminada.
• Ladrillos y azulejos Los ladrillos para la construcción, tubería de arcilla, tejas no vidriadas
para techos y mosaicos para drenajes están hechos de distintas arcillas de bajo costo que
contienen sílice y materiales arenosos que existen en depósitos naturales distribuidos con
amplitud. Estos productos reciben su forma por presión (moldeo) y se cuecen a temperaturas
relativamente bajas.
• Refractarios Los refractarios cerámicos con frecuencia tienen la forma de ladrillos, son
críticos en muchos procesos industriales que requieren de hornos y crisoles para calentar o
fundir materiales. Las propiedades útiles de los materiales refractarios son su resistencia a
las temperaturas elevadas, aislamiento térmico y resistencia a la reacción química con los
materiales que se hornean (por lo general metales fundidos). Como ya se mencionó, no es
raro que la alúmina se utilice como cerámica refractaria. Otros materiales refractarios incluyen los óxidos de magnesio (MgO) y de calcio (CaO).
• Abrasivos Los cerámicos tradicionales que se emplean para hacer productos abrasivos como piedras de esmeril y papel de lija son la alúmina y el carburo de silicio. Aunque el SiC
es más duro, la mayoría de piedras abrasivas se basan en Al2O3 debido a que da mejores resultados cuando se rectifica al acero, que es el metal más usado. Las partículas abrasivas
(granos de cerámico) se distribuyen en la rueda por medio de algún material aglutinante
como laca, resinas de polímeros o hule. La tecnología de las piedras abrasivas se presenta en
el capítulo 18.
2.2.2
Nuevos materiales cerámicos
El término nuevos cerámicos se refiere a materiales cerámicos creados en forma sintética durante las décadas recientes, y por medio de mejoras en las técnicas de procesamiento que dan un
control mayor sobre las estructuras y propiedades de los cerámicos. En general, los nuevos cerámicos se basan en compuestos distintos de silicato de aluminio en cantidades variables (el cual
constituye la mayoría de los materiales cerámicos tradicionales). Los nuevos cerámicos son por
lo general más sencillos en cuanto a su química que los tradicionales (por ejemplo, óxidos, carburos, nitruros y boruros). La línea divisoria entre los cerámicos tradicionales y los nuevos algunas veces no es muy clara debido a que los primeros incluyen al óxido de aluminio y al carburo
de silicio. En esos casos, la diferencia se basa más en los métodos de procesamiento que en la
composición química.
2.2 Cerámicos 31
FIGURA 2.3 Componentes cerámicos de alúmina. (Fotografía por
cortesía de Insaco Inc.) (Crédito:
Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover,
2010. Reimpreso con autorización de
John Wiley & Sons, Inc.)
Los nuevos cerámicos se organizan en categorías según su composición química: óxidos,
carburos y nitruros, que se estudian en las secciones siguientes. En las referencias [9], [12] y [18]
se hace un análisis más completo de los nuevos cerámicos.
Óxidos cerámicos El óxido más importante de los nuevos cerámicos es la alúmina. Aunque
también se le estudia en el contexto de los cerámicos tradicionales, hoy día la alúmina se produce
en forma sintética a partir de la bauxita, con un método de horno eléctrico. Por medio del control
del tamaño de las partículas e impurezas, mejoras en los métodos de refinación y la mezcla de
cantidades pequeñas de otros ingredientes cerámicos, se mejora en forma sustancial la resistencia
e inflexibilidad de la alúmina, en comparación con su contraparte natural. La alúmina también
tiene buena dureza en caliente, baja conductividad térmica y alta resistencia a la corrosión. Ésta
es una combinación de propiedades que estimulan una variedad de aplicaciones e incluye [20]:
abrasivos (piedras abrasivas de arena), biocerámicos (huesos y dientes artificiales), aislantes eléctricos, componentes electrónicos, ingredientes de aleación del vidrio, ladrillos refractarios, insertos para herramientas de corte (véase la sección 17.2.4), aislante de bujía y componentes de ingeniería (véase la figura 2.3).
Carburos Los carburos cerámicos incluyen los carburos de silicio (SiC), tungsteno (WC), tita-
nio (TiC), tantalio (TaC) y cromo (Cr3C2). El carburo de silicio ya se estudió. Aunque es un cerámico hecho por el hombre, los métodos para su producción se desarrollaron hace un siglo, y por
ello generalmente se le incluye en el grupo de los cerámicos tradicionales. Además de su empleo
como abrasivo, otras aplicaciones del SiC incluyen elementos de resistencia al calentamiento y
aditivos para la fabricación de acero.
Se valora al WC, al TiC y al TaC por su dureza y resistencia al desgaste en herramientas
de corte (sección 17.2.3) y otras aplicaciones que requieren de esas propiedades. El carburo de
tungsteno fue el primero que se creó y es el material más importante y de mayor uso de su grupo.
El carburo de cromo es más adecuado para aplicaciones donde la estabilidad química y la resistencia a la oxidación son importantes.
Excepto para el SiC, cada carburo de los que se estudian aquí debe combinarse con un aglutinante metálico como el cobalto o níquel, a fin de fabricar un producto sólido útil. De hecho, los
polvos de carburo adheridos en una matriz metálica crean lo que se conoce como carburo cementado, que es un material compósito (se trata en específico de un cermet, abreviación de cerámica
y metal). En la sección 2.4.2 se estudian los carburos cementados y otros cermets. Los carburos
tienen poco valor para la ingeniería, excepto como constitutivos de un sistema compuesto.
Nitruros Los nitruros importantes para los cerámicos son el de silicio (Si3N4), el de boro (BN)
y el de titanio (TiN). Como grupo, los cerámicos de nitruros son duros y frágiles, y se funden a
temperaturas altas (pero por lo general no tanto como las de los carburos). Lo normal es que sean
aislantes eléctricos, de los que el TiN es una excepción.
32 CAPÍTULO 2
Materiales en la ingeniería
El nitruro de silicio promete en aplicaciones estructurales de alta temperatura. Tiene baja
expansión térmica, buena resistencia al choque y al agrietamiento térmicos, y resiste la corrosión
de los metales no ferrosos fundidos. Estas propiedades hacen a este cerámico apto para aplicaciones en turbinas de gas, motores de cohete y crisoles para fundir.
El nitruro de boro existe en varias estructuras, en forma parecida al carbono. Las formas
importantes del BN son 1) hexagonal, similar al grafito y 2) cúbica, como el diamante; en realidad, su dureza es comparable a la del diamante. Esta última estructura se conoce con los nombres
de nitruro de boro cúbico o borazón, cuyo símbolo es cBN. Debido a su dureza extrema, las
aplicaciones principales del cBN son en herramientas de corte (véase la sección 17.2.5) y las piedras abrasivas (véase la sección 18.1.1). Es interesante que no compita con las herramientas de
corte y piedras hechas de diamante. Éste es apropiado para maquinar y rectificar lo que no sea
acero, en tanto que el cBN es adecuado para trabajar el acero.
El nitruro de titanio tiene propiedades similares a las de los demás nitruros del grupo, excepto por su conductividad eléctrica, pues es conductor. El TiN tiene dureza elevada, buena resistencia al desgaste y bajo coeficiente de fricción con los metales ferrosos. Esta combinación de
propiedades hace que el TiN sea un material ideal como recubrimiento de superficies de herramientas de corte. El recubrimiento es de sólo alrededor de 0.006 mm (0.0003 pulg) de espesor,
de modo que las cantidades de material que se utilizan para esta aplicación son mínimas.
2.2.3 Vidrio
El término vidrio es algo confuso porque describe tanto un estado de la materia como un tipo de
cerámico. Como estado de la materia, se refiere a una estructura amorfa, no cristalina, de un material sólido. El estado vítreo ocurre en un material al que no se da tiempo suficiente para que al
enfriarse a partir de la condición de fundido se forme la estructura cristalina. Se concluye que las
tres categorías de los materiales de ingeniería (metales, cerámicos y polímeros) pueden adoptar
el estado vítreo, aunque las circunstancias de los metales para ello son muy raras.
Como un tipo de cerámico, el vidrio es un compuesto inorgánico, no metálico (o mezcla de
compuestos) que se enfría hasta adquirir una condición rígida sin cristalizar; es un cerámico que
como material sólido está en estado vítreo.
Química y propiedades del vidrio El ingrediente principal en virtualmente todos los vidrios es
el sílice (SiO2), que se encuentra en forma común como cuarzo mineral en las areniscas y arenas
sílicas. El cuarzo está presente en forma natural como sustancia cristalina, pero cuando se funde
y luego se enfría, forma sílice vítreo. El vidrio de sílice tiene un coeficiente de expansión térmica
muy bajo, y por ello es muy resistente al choque térmico. Estas propiedades son ideales para
aplicaciones de temperaturas elevadas; en consecuencia, los vidrios para uso químico que están
diseñados para ser calentados se fabrican con proporciones elevadas de vidrio de sílice.
A fin de reducir el punto de fusión del vidrio para hacer más fácil su procesamiento y controlar sus propiedades, la composición de la mayoría de vidrios comerciales incluye otros óxidos
además de sílice. Éste permanece como el componente principal en esa clase de productos, por
lo general entre 50 y 75% de los productos químicos totales. La razón de que en esos compuestos se utilice tanto el SiO2 es porque es el mejor formador de vidrio. Se transforma de manera
natural en estado vítreo cuando se enfría desde el líquido, en tanto que la mayoría de los materiales cerámicos se cristalizan al solidificarse. En la tabla 2.11 se listan las composiciones químicas
frecuentes de ciertos vidrios comunes. Los ingredientes adicionales están contenidos en una solución sólida con SiO2, y cada uno tiene una función: 1) actuar como fundente (facilita la fundición) durante el calentamiento; 2) incrementar la fluidez del vidrio fundido para su procesamiento; 3) retardar la desvitrificación, es decir, la tendencia a cristalizar desde el estado vítreo; 4)
reducir la expansión térmica del producto final; 5) mejorar la resistencia química contra el ataque
de ácidos, sustancias básicas o agua; 6) agregar color al vidrio, y 7) alterar el índice de refracción
para aplicaciones ópticas (por ejemplo, lentes).
Productos de vidrio A continuación se da una lista de las categorías principales de productos
de vidrio. Al estudiarlos, se analiza el papel que juegan los distintos ingredientes mencionados en
la tabla 2.11.
2.2 Cerámicos 33
TABLA 2.11 Composiciones comunes de productos de vidrio seleccionados
Composición química (en peso, al % más cercano)
Producto
SiO2
Na2O
CaO
Vidrio de sosa y cal
Vidrio para ventanas
Vidrio para envases
Vidrio para focos
Vidrio para materiales de laboratorio:
Vycor
Pirex
Vidrio E (fibras)
Vidrio S (fibras)
Vidrios ópticos:
Vidrio de baja refracción (al boro, o
Crown glass)
Vidrio de alta refracción (al plomo, o
Flint glass)
71
72
72
73
14
15
13
17
13
8
10
5
96
81
54
64
4
1
67
8
12
46
3
6
17
Al2O3
2
1
2a
1
1
2
15
26
MgO
4
2
4
K2O
PbO
B2O3
Otros
1
3
13
9
4
10
12
ZnO
45
Recopilado a partir de las referencias [10], [12], [19] y de otras fuentes.
a Pueden incluir Fe O con Al O .
2 3
2 3
• Vidrio para ventanas En la tabla 2.11, este vidrio está representado por dos composiciones
químicas: 1) vidrio de cal y sosa cáustica y 2) vidrio para ventanas. La fórmula de cal y sosa
cáustica se remonta a la industria del soplado de vidrio del siglo xix, y aun antes. Se fabricaba (incluso hoy) mezclando sosa (Na2O) y cal (CaO) con sílice (SiO2) como el ingrediente principal. La combinación de ingredientes que se agregan ha tenido una evolución empírica hasta lograr un balance entre evitar la cristalización durante el enfriamiento y lograr la
estabilidad química del producto final. Durante esta evolución, el vidrio moderno para ventanas y las técnicas para fabricarlo han requerido pocos ajustes en cuanto a su composición
y control más estrecho. Se agrega magnesio (MgO) para reducir la desvitrificación.
• Envases En tiempos pasados se usaba la misma composición de cal y sosa cáustica para el
vidrio soplado en forma manual a fin de fabricar botellas y otros envases. Los procesos modernos para dar forma a los envases de vidrio enfrían éste con más rapidez que los métodos
antiguos; asimismo, los cambios en la composición tratan de optimizar las proporciones de
cal (CaO) y sosa (Na2O3). La cal facilita la fluidez. También incrementa la desvitrificación,
pero como el enfriamiento es más rápido, este efecto no es tan importante como lo era para
las técnicas de procesamiento anteriores, con tasas de enfriamiento más lentas. La reducción
de la sosa disminuye la estabilidad química y la insolubilidad.
• Vidrio para focos El vidrio que se usa para hacer focos y otros artículos de vidrio delgado
(por ejemplo, copas, adornos navideños) tiene contenido alto de sosa y bajo de cal; también
contiene cantidades pequeñas de magnesio y alúmina. Las materias primas son económicas
y convenientes para los hornos de fundido continuo actuales para la producción masiva de
focos.
• Vidrio para materiales de laboratorio Estos productos incluyen contenedores para productos químicos (por ejemplo, matraces, vasos de precipitados, tubería de vidrio). Este vidrio debe ser resistente al ataque químico y el choque térmico. Es apropiado el vidrio con
alto contenido de sílice debido a su baja expansión térmica. Para esta clase de vidrio se utiliza el nombre comercial “Vicor”. Al agregarle óxido bórico también produce un vidrio con
coeficiente de expansión térmica bajo, por lo que algunos vidrios para laboratorio contienen
B2O3. Para el vidrio de borosilicato se emplea el nombre comercial “Pyrex”.
• Vidrios ópticos Las aplicaciones para estos vidrios incluyen lentes para anteojos e instrumentos ópticos tales como cámaras, microscopios y telescopios. Para llevar a cabo su función, los vidrios deben tener índices de refracción distintos, pero cada uno de ellos debe ser
de composición homogénea. Los vidrios ópticos por lo general se dividen en vidrios al boro
34 CAPÍTULO 2
Materiales en la ingeniería
y al plomo. El vidrio al boro tiene un índice de refracción bajo, en tanto que el vidrio al
plomo contiene óxido de plomo (PbO) que le da un índice de refracción alto.
• Fibras de vidrio Éstas se manufacturan para numerosas aplicaciones importantes, incluso
plásticos de fibra de vidrio reforzada, lana aislante y fibra óptica. Las composiciones varían
de acuerdo con la función. Las fibras de vidrio que se usan más para reforzar plásticos son
las de vidrio E. Otro material de fibra de vidrio es el vidrio S, que tiene resistencia mayor
pero no es tan económico como el vidrio E. La lana aislante de fibra de vidrio se manufactura a partir de vidrios regulares de sosa-cal-sílice. El producto de vidrio para fibra óptica
consiste en un núcleo largo y continuo de vidrio con índice de refracción elevado rodeado
por una envoltura de vidrio de refracción baja. El vidrio interno debe tener una transmitancia
muy alta para la luz a fin de realizar comunicaciones a larga distancia.
Vidrios cerámicos Los vidrios cerámicos son una clase de material cerámico que se produce
por la conversión de vidrio en una estructura policristalina por medio de tratamiento térmico. La
proporción de la fase cristalina en el producto final por lo común varía entre 90 y 98%, y el resto
es material vítreo sin convertir. Por lo general, el tamaño del grano está entre 0.1 y 1.0 μm (4 y
40 μpulg), lo que es significativamente menor que el tamaño del grano de los cerámicos convencionales. Esta microestructura fina hace que los vidrios cerámicos sean mucho más fuertes que
los vidrios de los que se derivan. Asimismo, debido a su estructura cristalina, los vidrios cerámicos son opacos (por lo general grises o blancos) y no transparentes.
La secuencia de procesamiento de los vidrios cerámicos es la siguiente: 1) El primer paso
incluye operaciones de calentamiento y formado que se emplean en el trabajo del vidrio (véase la
sección 7.2) para crear la forma que se desea para el producto. Los métodos para dar forma al
vidrio por lo general son más económicos que el prensado y el sinterizado para dar forma a los
cerámicos tradicionales y nuevos a partir de polvos. 2) El producto se enfría. 3) Se vuelve a calentar el vidrio a una temperatura suficiente para ocasionar que se forme en todo el material una
red densa de núcleos de cristales. Es esta densidad alta de los sitios de nucleación lo que inhibe
el crecimiento de granos de cristales individuales, lo que en última instancia conduce al tamaño
fino del grano del material del vidrio cerámico. La clave para que ocurra la propensión a formar
núcleos es la presencia de cantidades pequeñas de agentes nucleadores en la composición del
vidrio. Los más comunes de éstos son el TiO2, P2O5 y ZrO2. 4) Una vez iniciada la nucleación,
continúa el tratamiento térmico a una temperatura mayor para producir el aumento de las fases
cristalinas.
Las ventajas notables de los vidrios cerámicos incluyen 1) la eficiencia de procesamiento en
el estado vítreo, 2) control dimensional estrecho de la forma del producto final y 3) buenas propiedades físicas y mecánicas. Estas últimas incluyen alta resistencia (mayor que la del vidrio),
ausencia de porosidad, bajo coeficiente de expansión térmica y elevada resistencia al choque
térmico. Estas propiedades dan como resultado aplicaciones para utensilios de cocina, intercambiadores térmicos y misiles. Ciertas formulaciones también se caracterizan por su resistencia
eléctrica elevada, apropiada para aplicaciones eléctricas y electrónicas.
2.3
Polímeros
Con excepción del caucho natural, casi todos los materiales poliméricos que se emplean en la
ingeniería hoy día son sintéticos. Los materiales en sí mismos se elaboran por medio de procesamiento químico, y los productos se fabrican con procesos de solidificación. Un polímero es un
compuesto que consiste en moléculas de cadena larga, cada una de las cuales está hecha de unidades que se repiten y conectan entre sí. En una sola molécula de polímero puede haber miles, e
incluso millones, de unidades. La palabra se deriva de los vocablos griegos poly, que significa
muchos, y meros (que se contrae a mero), que es parte. La mayoría de los polímeros se basan en
el carbono, y por ello se les considera productos químicos orgánicos.
Los polímeros se dividen en plásticos y hules (cauchos). Para estudiar los polímeros como
materia técnica es apropiado dividirlos en las siguientes tres categorías, donde 1) y 2) son plásticos y 3) es la categoría del hule:
2.3
1.
2.
3.
Polímeros 35
Los polímeros termoplásticos, también llamados termoplásticos (TP), son materiales sólidos a temperatura ambiente, pero si se les calienta a temperaturas de apenas unos cuantos
cientos de grados se vuelven líquidos viscosos. Esta característica permite que adopten formas de productos de modo fácil y económico. Se pueden sujetar repetidas veces al ciclo de
calentamiento y enfriamiento sin que el polímero se degrade de manera significativa.
A diferencia de los termoplásticos, los polímeros termofijos, o termofijos (termoestables,
TS), no toleran ciclos repetidos de calentamiento. Cuando se calientan de inicio, se suavizan
y fluyen de modo que se pueden moldear, pero las temperaturas elevadas también producen
una reacción química que endurece el material y lo convierte en un sólido que no se puede
fundir. Si se le vuelve a calentar, los polímeros termofijos o termoestables se degradan y
carbonizan en vez de suavizarse.
Los elastómeros (E) son polímeros que presentan alargamiento elástico extremo si se les
somete a un esfuerzo mecánico relativamente débil. Aunque sus propiedades son muy distintas de las de los termofijos, tienen una estructura molecular similar a la de éstos, pero diferente de la de los termoplásticos.
De los tres tipos, los de mayor importancia comercial son los termoplásticos, pues constituyen alrededor de 70% del peso total de todos los polímeros sintéticos que se producen. Los termofijos y elastómeros contribuyen con el restante 30% a partes casi iguales. Los polímeros TP
comunes incluyen al polietileno, cloruro de polivinilo, polipropileno, poliestireno y nylon. Ejemplos de los polímeros TS son los fenoles, epóxicos y ciertos poliésteres. El ejemplo más común
de los elastómeros es el hule natural (vulcanizado); sin embargo, se produce mucho más hule
sintético que natural.
Aunque la clasificación de los polímeros en las categorías TP, TS y E cumple con los propósitos de organizar el tema en este capítulo, debe notarse que en ocasiones los tres tipos se traslapan. Ciertos polímeros que normalmente son termoplásticos podrían hacerse termofijos. Algunos
polímeros pueden ser tanto termofijos como elastómeros (debe observarse que sus estructuras
moleculares son similares). Y ciertos elastómeros son termoplásticos. Sin embargo, sólo son excepciones al esquema de clasificación general.
El crecimiento de las aplicaciones de los polímeros sintéticos es en verdad impresionante.
Las siguientes son algunas razones de la importancia comercial y tecnológica de los polímeros.
• Es posible dar formas a los plásticos moldeándolos en formas intrincadas, por lo general sin
que se requiera mayor procesamiento. Son muy compatibles con el procesamiento de forma
final.
• Los plásticos poseen una lista de propiedades atractivas para muchas aplicaciones de ingeniería en las que la resistencia no es importante: 1) densidad baja respecto de los metales y
cerámicos; 2) buenas relaciones de resistencia a peso de ciertos polímeros (pero no todos);
3) resistencia elevada a la corrosión, y 4) baja conductividad eléctrica y térmica.
• Sobre una base volumétrica, los polímeros compiten en costo con los metales.
• Los polímeros por lo general requieren menos energía que los metales para producirse, sobre
una base de volumen. Esto se cumple debido a que es común que las temperaturas para trabajarlos sean mucho más bajas que las que requieren los metales.
• Ciertos plásticos son traslúcidos o transparentes, así que para ciertas aplicaciones compiten
con el vidrio.
• Los polímeros se emplean mucho en materiales compósitos (véase la sección 2.4).
Por el lado negativo, los polímeros tienen en general las limitaciones siguientes: 1) su resistencia es baja en comparación con la de los metales y cerámicos; 2) en el caso de los elastómeros,
su módulo de elasticidad o rigidez también es bajo (ésta podría ser, por supuesto, una característica deseable); 3) las temperaturas de uso se limitan a sólo unos cientos de grados debido a la
suavización de los polímeros termoplásticos o a la degradación de los termofijos y elastómeros;
4) ciertos polímeros se degradan si se les expone a la luz solar y otras formas de radiación.
Los polímeros se sintetizan por medio de la unión de muchas moléculas pequeñas para formar otras más grandes, llamadas macromoléculas, que poseen una estructura parecida a una cadena. Las unidades pequeñas, llamadas monómeros, por lo general son moléculas orgánicas in-
36 CAPÍTULO 2
Materiales en la ingeniería
n
H
H
H
H
H
H
H
H
C
C
C
C
C
C
C
C
H
H
H
H
H
H
H
H
1)
n
H
H
C
C
H
H
n
2b)
2a)
FIGURA 2.4 Síntesis del polietileno a partir de monómeros de etileno: 1) n monómeros de etileno producen 2a) cadena de polietileno de longitud n; 2b) notación concisa para ilustrar la estructura del polímero
de cadena de longitud n. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover,
2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)
saturadas sencillas, como el etileno C2H4. Los átomos de estas moléculas están unidos con
enlaces covalentes, y cuando se unen para formar un polímero, el mismo enlace covalente mantiene a la cadena. Así, cada molécula larga se caracteriza por enlaces primarios fuertes. En la figura 2.4 se ilustra la síntesis de la molécula de polietileno.
Según se describe aquí, la polimerización genera macromoléculas de una estructura semejante a una cadena, denominada polímero lineal. Ésta es la estructura característica de un polímero termoplástico. También son posibles otras estructuras, como se ilustra en la figura 2.5. Una
posibilidad es que se formen ramas laterales a lo largo de la cadena, lo que da como resultado un
polímero ramificado, que se presenta en la figura 2.5b). En el polietileno, esto ocurre porque los
átomos de hidrógeno son reemplazados por átomos de carbono en puntos al azar a lo largo de la
cadena, con lo que se inicia el crecimiento de una cadena en rama en cada ubicación. Para ciertos
polímeros ocurren enlaces primarios entre las ramas y otras moléculas en ciertos puntos de conexión, para formar polímeros entrecruzados, como se ilustra en las figuras 2.5c) y d). El entrecruzamiento sucede porque cierta proporción de los monómeros que se usan para formar el polímero son capaces de enlazarse con otros adyacentes en más de los dos lados, lo que permite que
se agreguen las ramas de otras moléculas. Las estructuras entrecruzadas flojas son características
a)
b)
c)
d)
FIGURA 2.5 Varias estructuras de moléculas de polímeros: a) lineal, característica de los termoplásticos; b) ramificada; c) entrecruzada holgada, como en los elastómeros, y d) entrecruzada estrecha o de red,
como en un termofijo. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover,
2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)
2.3
Polímeros 37
de los elastómeros. Cuando el polímero está muy entrecruzado se dice que tiene estructura de
red, como en el inciso d) de la figura; en realidad, la masa entera es una macromolécula gigante.
Los plásticos termofijos adoptan esta estructura después del curado.
La presencia de la ramificación y el entrecruzamiento en los polímeros tiene un efecto significativo sobre sus propiedades. Es la base de la diferencia entre las tres categorías de polímeros:
TP, TS y E. Los polímeros termoplásticos siempre poseen estructuras lineales o ramificadas, o
una mezcla de las dos. La ramificación incrementa la imbricación de las moléculas, lo que generalmente hace que el polímero sea más fuerte en estado sólido y más viscoso a una temperatura
dada en estado líquido o plástico.
Los plásticos termofijos y los elastómeros son polímeros entrecruzados. El entrecruzamiento
ocasiona que el polímero sea químicamente estable; la reacción no puede revertirse. Su efecto es
cambiar de manera permanente la estructura del polímero; si se calienta se degrada o quema, en
lugar de fundirse. Los termofijos poseen un grado alto de entrecruzamiento, mientras que los
elastómeros poseen un grado bajo. Los termofijos son duros y frágiles, en tanto que los elastómeros son elásticos y resilientes.
2.3.1
Polímeros termoplásticos
La propiedad definitoria de un polímero termoplástico es que puede calentarse desde el estado
sólido hasta el de líquido viscoso y después enfriarse hasta volver a ser sólido, y que es posible
realizar muchas veces este ciclo de calentamiento y enfriamiento sin que el polímero se degrade.
La razón de esta propiedad es que los polímeros TP consisten en macromoléculas lineales (y/o
ramificadas) que no se entrecruzan cuando se calientan. A diferencia de los metales y los cerámicos, el termoplástico común a temperatura ambiente se caracteriza por lo siguiente: 1) rigidez
mucho más baja, 2) menor resistencia, 3) dureza mucho menor y 4) mayor ductilidad.
Los productos termoplásticos incluyen artículos moldeados y extruidos, fibras, películas,
hojas, materiales de empaque, pinturas y barnices. Es normal que las materias primas iniciales
para estos productos se suministren al fabricante en forma de polvos o pellets (bolitas), en bolsas,
tambos o cargas grandes de camiones o vagones. En la siguiente lista se analizan los polímeros
TP más importantes en orden alfabético:
• Acrílicos Los acrílicos son polímeros derivados del ácido acrílico (C3H4O2) y de compuestos que se derivan de él. El termoplástico más importante del grupo de los acrílicos es el
polimetilmetacrilato (PMMA) o Plexiglás (marca registrada para el PMMA). Su propiedad
extraordinaria es la transparencia excelente, que lo hace competir con el vidrio en aplicaciones ópticas. Algunos ejemplos incluyen lentes para las luces traseras de automóviles, instrumentos ópticos y ventanas de los aviones.
• Acrilonitrilo-butadieno-estireno El ABS es un plástico de uso en la ingeniería por su combinación excelente de propiedades mecánicas. El nombre del plástico se deriva de los tres
monómeros iniciales, que están mezclados en proporciones diferentes. Las aplicaciones comunes incluyen componentes para automóviles, aparatos, máquinas de oficina, y tubos e
implementos.
• Cloruro de polivinilo El cloruro de polivinilo (PVC) es un plástico muy usado cuyas propiedades varían si se combinan aditivos con el polímero. Se pueden obtener termoplásticos
que van del PVC rígido a PVC flexible. El rango de propiedades hace del PVC un polímero
versátil, con aplicaciones que incluyen tubos rígidos (que se utilizan en la construcción y
sistemas de agua, drenaje e irrigación), accesorios, aislamiento de alambres y cables, películas, hojas, empaque de comida, pisos y juguetes.
• Poliamidas Una familia importante de polímeros que forma uniones de amidas (CO–NH)
características durante la polimerización es la de las poliamidas (PA). Los miembros más
importantes de la familia de las PA son los nylons, que son fuertes, muy elásticos, inflexibles, resistentes a la abrasión y autolubricantes. La mayoría de las aplicaciones del nylon
(cerca de 90%) son en fibras para tapetes, ropa y cuerdas para neumáticos. El resto (10%) es
para componentes de ingeniería, como cojinetes, engranes y piezas similares en las que se
necesita resistencia y fricción baja. Un segundo grupo de poliamidas es el de las aramidas
38 CAPÍTULO 2
Materiales en la ingeniería
•
•
•
•
•
2.3.2
(poliamidas aromáticas), de las que el Kevlar (nombre comercial de DuPont) ha ganado
importancia como fibra para plásticos reforzados. La razón del interés en el Kevlar es que
tiene la misma resistencia que el acero con 20% de su peso.
Policarbonato El policarbonato (PC) es notable por sus propiedades mecánicas excelentes
en general, que incluyen tenacidad elevada y buena resistencia al escurrimiento plástico.
Además es resistente al calor, transparente y resiste el fuego. Sus aplicaciones incluyen piezas moldeadas para maquinaria, carcasas para máquinas de oficina, impulsores de bombas,
cascos de seguridad y discos compactos (por ejemplo, audio y video). También se usa mucho
en aplicaciones de cristales (ventanas y parabrisas).
Poliésteres El poliéster forma una familia de polímeros constituida por las uniones características del éster (CO–O). Son termoplásticos o termofijos, lo que depende si ocurre entrecruzamiento. De los poliésteres termoplásticos, un ejemplo representativo es el tereftalato
de polietileno (PET). Sus aplicaciones importantes incluyen envases de bebidas moldeados
por soplado, películas fotográficas y cintas magnéticas de grabación. Además, el PET se usa
mucho como fibras para telas.
Poliestireno Hay varios polímeros basados en el monómero del estireno (C8H8), de los que
el mayor volumen corresponde al poliestireno (PS). Es un polímero lineal que en general
resulta notable por su fragilidad. El PS es transparente, se colorea con facilidad y moldea con
rapidez, pero a temperaturas elevadas se degrada, y varios solventes lo disuelven. Debido a
su fragilidad, algunos grados de PS contienen de 5 a 15% de hule, tipos para los que se emplea el término poliestireno de alto impacto (HIPS). Además de las aplicaciones en moldeo
por inyección (por ejemplo, juguetes moldeados), el poliestireno también se emplea para
empacar, en forma de espumas de PS.
Polietileno El polietileno (PE) se sintetizó por vez primera en la década de 1930, y hoy
abarca el volumen más grande de todos los plásticos. Las características que hacen atractivo al
PE como material de ingeniería son su costo bajo, y que es químicamente inerte y fácil de
procesar. El polietileno se encuentra disponible en varios grados, los más comunes de los cuales son el polietileno de baja densidad (LDPE) y el polietileno de alta densidad (HDPE). El
grado de densidad baja es un polímero muy ramificado con cristalinidad y densidad bajas. Las
aplicaciones incluyen envases deformables, bolsas para comida, hojas, películas y aislamiento
de alambres. El HDPE tiene una estructura más lineal, con cristalinidad y densidad elevadas.
Estas diferencias hacen al HDPE más rígido y fuerte, y le dan una temperatura de fusión más
alta. El HDPE se emplea para producir botellas rígidas, tubos y enseres domésticos.
Polipropileno El polipropileno (PP) es un plástico importante, en especial para el moldeo
por inyección. Es el más ligero de los plásticos y su razón resistencia a peso es elevada. El
PP se compara con frecuencia con el HDPE debido a que su costo y muchas de sus propiedades son similares. Sin embargo, el punto de fusión elevado del polipropileno permite ciertas aplicaciones en las que se prefiere el uso del polietileno (por ejemplo, componentes que
deben esterilizarse). Otras aplicaciones son las piezas moldeadas por inyección para automóviles y enseres domésticos, así como productos de fibra para alfombras.
Polímeros termofijos
Los polímeros termofijos (TS) se distinguen por su estructura muy entrecruzada. En realidad, la
pieza formada (por ejemplo, la manija de un recipiente o la cubierta de los interruptores eléctricos) se convierte en una sola macromolécula. Debido a las diferencias de química y estructura
molecular, las propiedades de los plásticos termofijos son distintas de las de los termoplásticos.
En general, los termofijos son 1) más rígidos, 2) frágiles, 3) menos solubles en solventes comunes, 4) capaces de resistir temperaturas de uso elevadas y 5) no son capaces de volverse a fundir
(en vez de ello, se degradan o queman).
Las diferencias en las propiedades de los plásticos TS son atribuibles al entrecruzamiento,
que forma una estructura estable en lo térmico, tridimensional y de enlaces covalentes en el interior de la molécula. Las reacciones químicas que se asocian con el entrecruzamiento se denominan curado o fraguado. El curado se logra de tres maneras, dependiendo de los ingredientes
2.3
Polímeros 39
iniciales: 1) sistemas activados por temperatura, en los que el curado es ocasionado por el calor;
2) sistemas activados por catalizadores, en los que se agregan cantidades pequeñas de un catalizador a un polímero líquido para ocasionar el curado, y 3) sistemas activados por mezcla, en los
que se combinan dos ingredientes iniciales, resultando en una reacción que forma un polímero
sólido entrecruzado. El curado se efectúa en plantas de fabricación que dan forma a las piezas, a
diferencia de las plantas químicas que suministran al fabricante los materiales en bruto.
Los plásticos termofijos no se usan tanto como los termoplásticos, quizá por las complicaciones adicionales del procesamiento que involucra el curado de los polímeros TS. El volumen
mayor de termofijos son las resinas fenólicas, pero su volumen anual es menor a 20% del volumen del polietileno, el termoplástico líder. En la lista siguiente se presentan los termofijos más
importantes y sus aplicaciones más comunes:
• Aminorresinas Los plásticos amino, caracterizados por el grupo del amino (NH2), consisten en dos polímeros termofijos, urea-formaldehído y melamina-formaldehído, que se producen por la reacción del formaldehído (CH2O) ya sea con la urea (CO(NH2)2) o la melamina
(C3H6N6), respectivamente. La urea-formaldehído se usa como cubierta (triplay) y adhesivo
para tableros de partículas. Las resinas también se emplean como un compuesto moldeador.
El plástico de melamina-formaldehído es resistente al agua y se utiliza para trastos y como
recubrimiento en mesas laminadas y contracubiertas (con nombre comercial Formica).
• Epóxicos Las resinas epóxicas se basan en un grupo químico denominado epóxidos. La
epiclorhidrina (C3H5ClO) es un epóxido que se emplea mucho más para producir resinas
epóxicas. Los epóxicos curados son notables por su resistencia, adhesividad y resistencia al
calor y al ataque químico. Las aplicaciones incluyen recubrimientos de superficies, pisos
industriales, compuestos de fibra de vidrio reforzada y adhesivos. Las propiedades aislantes
de los epóxicos termofijos los hacen útiles como el material de laminación de tarjetas de
circuitos impresos.
• Fenólicos El fenol (C6H5OH) es un compuesto ácido que reacciona con los aldehídos (alcoholes deshidrogenados), de los que el más reactivo es el formaldehído (CH2O). El fenolformaldehído es el más importante de los polímeros fenólicos. Es frágil, posee buenas estabilidades térmica, química y dimensional. Las aplicaciones incluyen piezas moldeadas,
tarjetas de circuitos impresos, cubiertas para mesas, adhesivos para triplay y materiales de
unión para frenos y ruedas abrasivas.
• Poliésteres Los poliésteres, que contienen las uniones características de los ésteres (CO–O),
son termofijos así como termoplásticos. Los poliésteres termofijos se emplean mucho en
plásticos reforzados (compósitos) para fabricar objetos grandes como tubos, tanques, cascos
de lanchas, piezas de carrocerías automotrices y paneles para la construcción. También se
utilizan en diversos procesos de moldeo para producir piezas pequeñas.
• Poliuretanos Incluyen una familia grande de polímeros, caracterizados todos por el grupo
del uretano (NHCOO) en su estructura. Muchas pinturas, barnices y recubrimientos similares se basan en sistemas de uretano. Según las variaciones de su química, entrecruzamiento
y procesamiento, los poliuretanos pueden ser materiales termoplásticos, termofijos o elastómeros, de los que estos dos últimos son los que tienen mayor importancia comercial. La
aplicación principal del poliuretano es en espumas. Éstas varían entre elastoméricas y rígidas, y las últimas tienen un entrecruzamiento mayor (los elastómeros de poliuretano se estudian en la sección 2.3.3). Las espumas rígidas se emplean como material de relleno en paneles huecos para la construcción y las paredes de refrigeradores.
2.3.3
Elastómeros
Los elastómeros son polímeros capaces de desarrollar una deformación elástica grande si se les
somete a esfuerzos relativamente pequeños. Algunos elastómeros presentan extensiones de 500%
o más y regresan a su forma original. El término más frecuente para un elastómero es, por supuesto, hule. Los hules se dividen en dos categorías: 1) hule natural, derivado de ciertos vegetales, y
2) elastómeros sintéticos, que se obtienen con procesos de polimerización similares a los que se
emplean para los polímeros termoplásticos y termofijos.
40 CAPÍTULO 2
Materiales en la ingeniería
En la mayoría de los elastómeros se requiere un curado para que ocurra el entrecruzamiento.
El término que se emplea para el curado en el contexto del hule natural (y algunos sintéticos) es
el de vulcanización, que involucra la formación de entrecruzamientos químicos entre las cadenas
del polímero. El entrecruzamiento común en el hule es de 1 a 10 uniones por cien átomos de
carbono en la cadena de polímero lineal, lo que depende de la rigidez que se desea para el material. Esto es considerablemente menos que el grado de entrecruzamiento de los termofijos.
Hule natural El hule natural (NR, natural rubber) consiste sobre todo en poliisopreno, un polí-
mero del isopreno (C5H8). Se deriva del látex, sustancia lechosa producida por varias plantas, la
más importante de las cuales es el árbol del hule (Hevea brasiliensis), que crece en los climas
tropicales. El látex es una emulsión en agua de poliisopreno (cerca de un tercio del peso), más
otros ingredientes. El hule se extrae del látex por medio de distintos métodos que eliminan el agua.
El caucho natural crudo (sin vulcanizar) es pegajoso en agua caliente, y rígido y frágil en la
fría. Para formar un elastómero de propiedades útiles, el caucho natural debe vulcanizarse. Tradicionalmente, la vulcanización se ha llevado a cabo mediante la mezcla de pequeñas cantidades
de azufre y otros productos químicos con el hule natural, que luego se calientan. El efecto químico de la vulcanización es crear entrecruzamientos; el resultado mecánico es que se incrementan
la resistencia y la rigidez, pero se mantiene la elasticidad. El cambio marcado de las propiedades
que ocasiona la vulcanización se observa en las curvas de esfuerzo-deformación que se presentan
en la figura 2.6. El azufre por sí solo ocasiona entrecruzamientos, pero el proceso es lento y toma
varias horas. Se agregan otros productos químicos durante la vulcanización para acelerar el proceso y obtener otros resultados benéficos. Asimismo, el caucho se puede vulcanizar con el empleo de productos diferentes del hule. Hoy día, los tiempos del curado se han reducido mucho en
comparación con el curado por medio de azufre de los primeros años.
Como material de ingeniería, el hule vulcanizado es notable entre los elastómeros por su
alta resistencia al esfuerzo, resistencia al corte, resiliencia (capacidad de recuperar su forma después de la deformación), y resistencia ante el desgaste y la fatiga. Su debilidad es que se degrada
si se sujeta al calor, luz del sol, oxígeno, ozono y aceite. Algunas de estas limitaciones se reducen
con el uso de aditivos.
El mercado individual más grande para el hule natural es el de los neumáticos para automóviles. En los neumáticos, un aditivo importante es el negro de humo; refuerza el hule, sirve para
incrementar su resistencia al esfuerzo, al desgarre y la abrasión. Otros productos hechos con
caucho incluyen suelas para zapatos, cojinetes, sellos y componentes que absorben los golpes.
Hoy día, el peso de los hules sintéticos es más del triple del natural. El desarrollo de estos materiales sintéticos fue motivado ampliamente por las guerras mundiales, cuando
era difícil de obtener el NR. Igual que para la mayoría de los demás polímeros, la materia prima
predominante de los hules sintéticos es el petróleo. A continuación se estudian los hules sintéticos de mayor importancia comercial:
Hules sintéticos
FIGURA 2.6 Aumento
de la rigidez como
función del esfuerzo para
tres grados de hule: natural,
vulcanizado y duro. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a.
ed., de Mikell P. Groover,
2010. Reimpreso con autorización de John Wiley &
Sons, Inc.)
Esfuerzo
Hule duro
Hule vulcanizado (suave)
Hule natural crudo
Deformación
2.4
Compósitos 41
• Hule butilo El hule butilo consiste en poliisobutileno (98-99%) y poliisopreno. Se vulcaniza para darle al hule una permeabilidad muy baja al aire, lo que tiene aplicaciones en
productos inflables como cámaras interiores, revestimientos para neumáticos sin cámaras y
artículos deportivos.
• Hule cloropreno Conocido como neopreno, el hule cloropreno es un elastómero importante de propósitos especiales. Es más resistente que el NR a los aceites, al clima, al ozono,
al calor y a las llamas, pero algo más caro. Sus aplicaciones incluyen mangueras para combustible (y otras partes automotrices), bandas transportadoras y juntas, pero no neumáticos.
• Hule de butadieno El polibutadieno (BR) es importante sobre todo en combinación con
otros hules. Está compuesto de hule natural y estireno (el hule de estireno-butadieno se estudia más adelante) y se emplea para producir neumáticos para automóviles. Solo, sus características de resistencia al desgarre y al esfuerzo, y de facilidad de procesamiento, lo hacen
menos conveniente.
• Hule estireno-butadieno El SBR (styrene-butadien-rubber) es el elastómero del que se
produce el mayor peso, con 40% del total de todos los hules producidos (el hule natural
ocupa el segundo lugar por peso). Sus características atractivas son bajo costo, resistencia a
la abrasión y mejor uniformidad que el NR. Cuando se refuerza con negro de humo y se
vulcaniza, sus características y aplicaciones son similares a las del hule natural. Su costo
también es similar. Una comparación rigurosa revela que la mayoría de sus propiedades
mecánicas, excepto la resistencia al desgaste, son inferiores que las del NR, pero su resistencia al envejecimiento térmico, al ozono, al clima y a los aceites es superior. Las aplicaciones
incluyen neumáticos para carros, calzado y aislamiento de alambres y cables.
• Hule etileno-propileno La polimerización de etileno y propileno con proporciones pequeñas de un monómero dieno produce etileno-propileno-dieno (EPDM), un hule sintético útil.
Las aplicaciones son para piezas sobre todo en la industria automotriz, más que para neumáticos. Otros usos que tiene son para aislar alambres y cables.
• Poliuretanos Los poliuretanos (véase la sección 2.3.2) con entrecruzamientos mínimos
son elastómeros, y es común que la mayoría se produzcan como espumas flexibles. En esta
forma se emplean mucho como materiales para vestiduras de muebles y asientos de automóviles. El poliuretano que no es esponja se moldea en productos que van desde suelas de zapatos hasta defensas de coches, con el entrecruzamiento ajustado para obtener las propiedades que se quiere para la aplicación.
Un elastómero termoplástico (TPE) es un termoplástico que se
comporta como elastómero. Constituye una familia de polímeros que crece con rapidez en el
mercado de elastómeros. Los TPE derivan sus propiedades elastoméricas no de los entrecruzamientos químicos, sino de las conexiones físicas entre las fases suave y dura que forman el material. La química y estructura de estos materiales por lo general son complejas e involucran
materiales que son incompatibles, por lo que forman fases distintas con propiedades diferentes a
temperatura ambiente. Debido a su termoplasticidad, los TPE no igualan a los elastómeros entrecruzados convencionales en cuanto a la resistencia a las temperaturas elevadas y al escurrimiento
plástico. Sus aplicaciones comunes incluyen calzado, ligas, tubería extruida, recubrimiento de
alambres y piezas moldeadas para automóviles, así como otros usos en los que se requieren propiedades elastoméricas. Los TPE no son apropiados para neumáticos.
Elastómeros termoplásticos
2.4 Compósitos
Además de los metales, cerámicos y polímeros, es posible distinguir una cuarta categoría de
materiales: los compósitos. Un material compósito es un sistema de materiales compuesto por
dos o más fases distintas físicamente cuya combinación produce propiedades agregadas diferentes de las de sus componentes. El interés tecnológico y comercial de los materiales compósitos
proviene del hecho de que sus propiedades no sólo son distintas de las de sus componentes, sino
que con frecuencia son mucho mejores. Algunas de las posibilidades incluyen las siguientes:
42 CAPÍTULO 2
Materiales en la ingeniería
• Es posible diseñar compósitos que sean muy fuertes y rígidos, pero de peso muy ligero, lo
que les da relaciones resistencia-peso y rigidez-peso varias veces mayores que las del acero
o el aluminio. Estas propiedades son muy deseables para aplicaciones que van de la aviación
comercial al equipo deportivo.
• Sus propiedades de fatiga por lo general son mejores que las de los metales comunes de ingeniería. Asimismo, es frecuente que la tenacidad sea mayor.
• Se pueden diseñar compósitos que no se corroan como el acero; esto es importante en los
automóviles y otras aplicaciones.
• Con los materiales compósitos es posible obtener combinaciones de propiedades que no son
alcanzables con los metales, cerámicos o polímeros.
Junto con las ventajas, hay desventajas y limitaciones asociadas con los materiales compósitos. Éstas incluyen las siguientes: 1) las propiedades de muchos compósitos importantes son
anisotrópicas, lo que significa que difieren de acuerdo con la dirección en que se miden; 2) muchos de los compósitos basados en polímeros son susceptibles al ataque de químicos o de solventes, igual que los polímeros en sí; 3) por lo general, los materiales compósitos son caros, y 4)
algunos de los métodos de manufactura para dar forma a los materiales compósitos son lentos y
costosos.
2.4.1 Tecnología y clasificación de los materiales compósitos
Como se señaló en la definición, un material compósito consiste de dos o más fases distintas. El
término fase indica un material homogéneo, como metal o cerámico en los que todos los granos
tienen la misma estructura cristalina, o un polímero sin rellenos. Al combinar las fases, con los
métodos por describirse, se crea un material nuevo con rendimiento agregado que supera al de sus
partes. El efecto es sinérgico.
Componentes de un material compósito En la manifestación más sencilla de la definición
presentada, un material compuesto consiste en dos fases: una primaria y otra secundaria. La fase
primaria forma la matriz en la que se encuentra incrustada la fase secundaria. En ocasiones a la
fase incrustada se le denomina agente reforzador (o algún término similar), porque por lo general sirve para reforzar al compuesto. La fase reforzadora está en forma de triquitas, partículas o
algunas otras, como se verá más adelante. Generalmente, las fases son insolubles una en la otra,
pero puede haber gran adhesividad en la interfaz.
La fase de la matriz es cualquiera de los tres tipos básicos de materiales: polímeros, metales
o cerámicos. La fase secundaria también es uno de los tres materiales básicos, o un elemento como
el carbono o el boro. Ciertas combinaciones no son factibles, como la de un polímero en una matriz cerámica. Las posibilidades incluyen dos estructuras de fase que consisten en componentes del
mismo tipo de material, como fibras de Kevlar (polímero) en una matriz de plástico (polímero).
El sistema de clasificación para los materiales compuestos que se usa en este libro se basa en
la fase de la matriz. A continuación se listan las clases y se estudian en la sección 2.4.2:
1.
2.
3.
Compósitos de matriz metálica (MMC, metal matrix composite). Incluyen mezclas de cerámicos y metales, como los carburos cementados y otros cermets, así como aluminio o magnesio reforzado por triquitas fuertes de alta rigidez.
Compósitos de matriz de cerámicos (CMC, ceramic matrix composite). Son los de la categoría menos común. El óxido de aluminio y el carburo de silicio son los materiales que es
posible incrustar con triquitas para mejorar sus propiedades, en especial en aplicaciones de
temperatura elevada.
Compósitos de matriz de polímero (PMC, polymer matrix composite). Las resinas termofijas son los polímeros de mayor uso como PMC. Es común mezclar epóxicos y poliéster con
triquitas de refuerzo, y se mezcla fenol con polvos. Con frecuencia los compuestos de termoplástico moldeado se refuerzan con polvos.
El material de la matriz desempeña varias funciones en el compuesto. En primer lugar, proporciona la forma general de la pieza o producto hecho del material compuesto. En segundo lu-
2.4
Compósitos 43
gar, mantiene la fase incrustada en su sitio, por lo general la encierra y con frecuencia la oculta.
En tercer lugar, cuando se aplica una carga, la matriz comparte ésta con la fase secundaria, y en
ciertos casos se deforma, de modo que la fuerza es soportada fundamentalmente por el agente
reforzador.
Es importante entender que el papel que desempeña la fase secundaria es el de reforzar a la
primaria. Lo más común es que la fase incrustada tenga una de tres formas: triquitas, partículas u
hojuelas.
Las triquitas son filamentos de material de refuerzo, por lo general de sección transversal
circular. Los diámetros varían de menos de 0.0025 mm (0.0001 pulg) a cerca de 0.13 mm (0.005
pulg), lo que depende del material. El refuerzo con triquitas proporciona la mayor oportunidad
para mejorar la resistencia de las estructuras compuestas. En compuestos con triquitas reforzadoras es frecuente que éstas se consideren el constituyente principal, puesto que soportan la mayor
parte de la carga.
Las triquitas son de interés como agentes de refuerzo porque la mayor parte de materiales es
significativamente más fuerte en forma de filamento que en otra voluminosa. Conforme el diámetro se reduce, el material se orienta en dirección del eje de la triquita y la probabilidad de que
haya defectos en la estructura disminuye de manera significativa. Como resultado, la resistencia
a la tensión aumenta mucho.
Las triquitas que se emplean en los materiales compuestos son continuas o discontinuas. Las
triquitas continuas son muy largas; en teoría, ofrecen una trayectoria continua de modo que una
carga se ve soportada por la parte compuesta. En realidad, esto es difícil de lograr debido a las
variaciones en el material fibroso y su procesamiento. Las triquitas discontinuas (secciones cortadas de fibras continuas) son de longitud corta. En los compuestos reforzados con triquitas se
usan diferentes materiales. Éstos incluyen el vidrio (E y S; véase la tabla 2.12), carbono, boro,
Kevlar, óxido de aluminio y carburo de silicio.
La segunda forma común de la fase incrustada es la de partículas, cuyo tamaño varía entre
microscópico y macroscópico. Las partículas son un material importante para los metales y cerámicos; en los capítulos 10 y 11 se estudia el carácter y la producción de los polvos de ingeniería.
La distribución de las partículas en la matriz del compósito es al azar, y por ello la resistencia y
otras propiedades del material por lo general son isotrópicas.
Las hojuelas son básicamente partículas bidimensionales, plaquetas planas y pequeñas. Dos
ejemplos de esta forma son los minerales de mica (silicatos de K y A) y talco (Mg3Si4O10(OH)2),
que se usan como agentes reforzadores en los plásticos. Por lo general son materiales de costo
menor que el de los polímeros, y dan resistencia y rigidez a los compuestos de plástico moldeado.
En la selección de un material compósito, en
general se busca una combinación óptima de propiedades en lugar de una propiedad en particular.
Por ejemplo, el fuselaje y las alas de una aeronave deben ser tanto ligeros como fuertes, rígidos
y tenaces. Es difícil encontrar un material monolítico que satisfaga estos requerimientos. Son
varios polímeros reforzados con fibra los que poseen esta combinación de propiedades.
Otro ejemplo es el hule. El hule natural es un material relativamente débil. A principios del
siglo xx se descubrió que si se agregan cantidades significativas de negro de humo (carbono casi
puro) al hule natural, su resistencia se eleva mucho. Los dos ingredientes interactúan para obtener
un material compósito que es mucho más resistente que cualquiera de los dos por sí solo. Por
supuesto, el hule también debe vulcanizarse para que adquiera toda su resistencia.
El hule en sí es un aditivo útil para el poliestireno. Una de las propiedades distintivas y desventajosas del poliestireno es su fragilidad. Aunque la mayoría de otros polímeros tiene una
ductilidad considerable, el PS no tiene virtualmente ninguna. Se agregan cantidades pequeñas (5
a 15%) de hule (natural o sintético) para obtener poliestireno de alto impacto, que es más tenaz y
resistente a los impactos.
Las triquitas ilustran la importancia de la forma geométrica. La mayoría de los materiales
tienen resistencias a la tensión que son varias veces más grandes en forma de fibra que como
cuerpo voluminoso. Sin embargo, las aplicaciones de las triquitas están limitadas por defectos de
la superficie, abombamiento cuando se les sujeta a compresión, y las inconveniencias de la forma
de un filamento cuando lo que se requiere es un componente sólido. Al incrustar las fibras en una
Propiedades de los materiales compósitos
44 CAPÍTULO 2
Materiales en la ingeniería
matriz de polímero se obtiene un material compósito que evita los problemas de las fibras pero
aprovecha sus resistencias. La matriz proporciona la forma de volumen para proteger las superficies de las triquitas y resistir el combamiento, y las triquitas tienden a transmitir su gran resistencia al compuesto. Cuando se aplica una carga, la matriz de resistencia baja se deforma y transmite la fuerza a las triquitas de resistencia alta, que de ese modo soportan la carga. Si algunas
triquitas individuales se rompen, la carga se redistribuye a través de la matriz hacia otras triquitas.
2.4.2
Materiales compósitos
En esta sección se analizan los tres tipos de materiales compósitos y sus aplicaciones: 1) compósitos
de matriz metálica, 2) compósitos de matriz de cerámicos y 3) compósitos de matriz de polímero.
Compósitos de matriz metálica Los compuestos de matriz metálica (MMC) consisten en una
matriz de metal reforzada por una segunda fase. Es común que las fases reforzadoras incluyan
1) partículas de cerámicos y 2) triquitas de materiales diversos, que abarcan otros metales, cerámicos, carbono y boro. Es común denominar a los MMC del primer tipo como cermets.
Un cermet es un material compósito en el que un cerámico está contenido en una matriz
metálica. Es frecuente que el cerámico domine la mezcla, pues a veces su volumen llega a ser de
hasta 96%. El enlace puede mejorarse por medio de una solubilidad ligera entre las fases a temperaturas elevadas que se utilizan para procesar estos compósitos. Una categoría importante de
los cermets es la de los carburos cementados.
Carburos cementados Los carburos cementados están integrados por uno o más compuestos de carburo enlazados en una matriz metálica usando técnicas de procesamiento de partículas
(sección 10.2). Los carburos cementados comunes se basan en los carburos de tungsteno (WC),
de titanio (TiC) y de cromo (Cr3C2). También se emplea el carburo de tantalio (TaC) y otros,
pero son menos comunes. Los aglutinantes metálicos principales son el cobalto y el níquel. Ya se
estudiaron los cerámicos de carburo (véase la sección 2.2.2); constituyen el ingrediente principal
de los carburos cementados, y es común que su contenido varíe de 80 a 95% del peso total.
Las herramientas de corte son la aplicación más común de los carburos cementados, con
base en el carburo de tungsteno. Otras aplicaciones de los carburos cementados de WC-Co incluyen los dados para estirar alambre, brocas para taladros de roca y otras herramientas de minería, dados para metalurgia de polvos, indentadores para probadores de dureza, y otras aplicaciones en las que la dureza y resistencia al desgaste son requerimientos de importancia crítica. Los
cermets de carburo de titanio se emplean principalmente en aplicaciones de alta temperatura.
Las aplicaciones incluyen alabes de turbinas de gas, asientos de las válvulas, tubos de protección
de termopares, boquillas de sopletes y herramientas rotatorias de trabajo en caliente. El TiC-Ni
también se emplea como material de las herramientas de corte en las operaciones de maquinado.
Los compósitos de matriz metálica reforzados con triquitas son de interés debido a que
combinan la resistencia al esfuerzo y el módulo de elasticidad elevados de una fibra con metales
de densidad baja, lo que arroja buenas relaciones de resistencia a peso y rigidez a peso para el
material compósito resultante. Los metales comunes que se emplean como matriz de densidad
baja son el aluminio, el magnesio y el titanio. Algunos de los materiales de fibra importantes que
se emplean en los compósitos son el Al2O3, boro, carbono y SiC.
Compósitos de matriz cerámica Los cerámicos tienen ciertas propiedades atractivas: rigidez,
dureza, dureza en caliente y resistencia a la compresión elevadas, así como densidad relativamente baja. Los cerámicos también tienen varias desventajas: pocas tenacidad y resistencia a la tensión volumétrica, y son susceptibles de sufrir agrietamiento térmico. Los compósitos de matriz
cerámica (CMC) representan un intento de conservar las propiedades deseables de los cerámicos,
al tiempo que compensan su debilidad. Los CMC consisten en una fase primaria de cerámico
incrustada en una secundaria. A la fecha, el trabajo más fructífero se ha centrado en el uso de
triquitas como fase secundaria. El éxito no ha sido del todo el esperado. Las dificultades técnicas
incluyen compatibilidad térmica y química de los constituyentes de los CMC durante el procesamiento. Asimismo, igual que con cualquier material cerámico, deben tomarse en cuenta las limitaciones de la forma de la pieza.
2.4
Compósitos 45
Los materiales cerámicos empleados como matrices incluyen la alúmina (Al2O3), carburo de
boro (B4C), nitruro de boro (BN), carburo de silicio (SiC), nitruro de silicio (Si3N4), carburo
de titanio (TiC) y varios tipos de vidrio. Algunos de estos materiales aún están en la etapa de
desarrollo como matrices para CMC. Los materiales fibrosos en los CMC incluyen carbono, SiC
y Al2O3.
Compósitos de matriz de polímero Un compósito de matriz de polímero (PMC) consiste en
una fase primaria de polímero en la que está incrustada una fase secundaria en forma de triquitas,
partículas u hojuelas. En el comercio, los PMC son los más importantes de las tres clases de
compósitos sintéticos. Incluyen la mayoría de compuestos de plástico moldeado, hule reforzado
con negro de humo y polímeros reforzados con triquitas (FRP).
Un polímero reforzado con triquitas es un material compósito que consiste en una matriz de
polímero incrustada con triquitas de alta resistencia. Por lo general, la matriz de polímero es un
plástico termofijo como el poliéster insaturado o epóxico, pero también se emplean los polímeros
termoplásticos, como los nylons (poliamidas), policarbonato, poliestireno y cloruro de polivinilo.
Además, los elastómeros también se refuerzan con triquitas para productos de hule como neumáticos y bandas transportadoras.
Las triquitas de los CMP adoptan formas diversas: discontinua (en trozos), continua o tejido
como tela. Los materiales principales de las triquitas en los FRP son el vidrio, el carbono y el
Kevlar 49. Las triquitas menos comunes incluyen boro, SiC y Al2O3, y el acero. El vidrio (en
particular el vidrio E) es el material de triquitas más común en los FRP de hoy; su uso como reforzador de plásticos data aproximadamente de 1920.
La forma más usada de los FRP es una estructura laminar, hecha por el apilamiento y unión
de capas delgadas de triquitas y polímero hasta que se obtiene el espesor deseado. Al variar la
orientación de las triquitas entre las capas se logra el nivel de anisotropía especificado en las
propiedades del laminado. Este método se emplea para formar piezas de sección transversal delgada como alas y secciones del fuselaje de los aviones, paneles de carrocería de autos y camiones
y cascos de embarcaciones.
Existe cierto número de características atractivas que distinguen a los plásticos reforzados
con triquitas entre los materiales de la ingeniería. Las más notables son 1) relación elevada resistencia a peso, 2) razón grande rigidez a peso y 3) gravedad específica baja. Un FRP común pesa
sólo la quinta parte que el acero, pero su resistencia y módulo son similares en la dirección de las
triquitas.
Durante las últimas tres décadas ha habido un crecimiento sostenido en la aplicación de polímeros reforzados con triquitas en productos que requieren mucha resistencia y poco peso, con
frecuencia como sustitutos de metales. La industria aeroespacial es uno de los usuarios más
grandes de los materiales compósitos. Los diseñadores luchan de manera continua para reducir el
peso de las aeronaves a fin de incrementar la eficiencia del combustible y la capacidad de carga.
Las aplicaciones de materiales compósitos en la aviación tanto militar como comercial han crecido en forma sostenida. Gran parte del peso estructural de los aviones y helicópteros de hoy día
consiste en FRP. El nuevo Boeing 787 Dreamliner tiene 50% (por su peso) de materiales compósitos (plástico reforzado con triquitas de carbono). Esto es alrededor de 80% del volumen del
avión. Los materiales compósitos se usan para el fuselaje, las alas, la cola, las puertas y los interiores. En comparación, el Boeing 777 tiene sólo 12% de materiales compósitos aproximadamente (por su peso).
La industria automotriz es otro usuario importante de FRP. Las aplicaciones más obvias de
los FRP son en paneles de la carrocería de autos y camiones. Los FRP se han adoptado ampliamente para el equipo recreativo y deportivo. El plástico reforzado con triquitas de vidrio se ha
empleado para cascos de embarcaciones desde la década de 1940. Las cañas de pescar fueron otra
aplicación temprana. Hoy día, los FRP se hallan representados en un conjunto amplio de productos deportivos, incluyendo raquetas para tenis, palos de golf, cascos de futbol, arcos y flechas,
esquís y ruedas de bicicleta.
Además de los FRP, otros PMC contienen partículas, hojuelas y triquitas cortas. Los ingredientes de la fase secundaria reciben el nombre de rellenos cuando se usan en compuestos de
polímeros moldeados. Los rellenos se dividen en dos categorías: 1) refuerzos y 2) extensores. Los
46 CAPÍTULO 2
Materiales en la ingeniería
rellenos de refuerzo sirven para dar resistencia o mejorar de otro modo las propiedades mecánicas del polímero. Los ejemplos comunes incluyen: aserrín y polvo de mica en resinas fenólicas y
de aminas para incrementar la resistencia, resistencia a la abrasión y estabilidad dimensional; y
negro de humo en el hule para mejorar su resistencia, resistencia al corte y al desgaste. Los extensores sencillamente incrementan el volumen y reducen el costo por unidad de peso del polímero, pero tienen poco o ningún efecto sobre sus propiedades mecánicas. Los extensores se
formulan para mejorar las características del moldeo de la resina.
Los polímeros esponjosos (véase la sección 8.11) son una forma de compósito en los que
burbujas de gas están incrustadas en una matriz de polímero. La espuma de poliestireno y la espuma de poliuretano son los ejemplos más comunes. La combinación de la densidad casi igual a
cero del gas y la densidad relativamente baja de la matriz hacen que estos materiales sean de
peso ligero en extremo. La mezcla de gas también conlleva conductividad térmica muy baja para
aplicaciones en las que se requiere aislamiento del calor.
Referencias
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Preguntas de repaso
2.1. ¿Cuáles son algunas de las propiedades generales que distinguen a los metales de los materiales cerámicos y polímeros?
2.2. ¿Cuáles son los dos grupos principales de metales? Defínalos.
2.3. ¿Qué es una aleación?
2.4. ¿Cuál es el rango de los porcentajes de carbono que definen
como acero a una aleación de hierro-carbono?
2.5. ¿Cuál es el rango de los porcentajes de carbono que definen
como hierro fundido a una aleación de hierro-carbono?
2.6. Identifique algunos de los elementos comunes de aleación,
además del carbono, en los aceros de baja aleación.
2.7. ¿Cuál es el elemento de aleación predominante en todos los
aceros inoxidables?
2.8. ¿Por qué se llama así el acero inoxidable austenítico?
Preguntas de repaso 47
2.9. Además del alto contenido de carbono, ¿qué otros elementos
de aleación son característicos de los hierros fundidos?
2.10. Identifique algunas de las propiedades por las que es notable
el aluminio.
2.11. ¿Cuáles son algunas de las propiedades más destacadas del
magnesio?
2.12. ¿Cuál es la propiedad del cobre más importante para la ingeniería y qué determina la mayor parte de sus aplicaciones?
2.13. ¿Cuáles elementos se alean por tradición con el cobre para
formar a) bronce y b) latón?
2.14. ¿Cuáles son las aplicaciones más importantes del níquel?
2.15. ¿Cuáles son las propiedades más notables del titanio?
2.16. Mencione algunas de las aplicaciones importantes del zinc.
2.17. Las superaleaciones se dividen en tres grupos básicos, de
acuerdo con el metal base que se utiliza en la aleación. Mencione los grupos.
2.18. ¿Qué tienen de especial las superaleaciones? ¿Qué las distingue de las demás aleaciones?
2.19. ¿Qué es un cerámico?
2.20. ¿Cuál es la diferencia entre los cerámicos tradicionales y los
nuevos?
2.21. ¿Cuál es la característica que diferencia al vidrio de los cerámicos tradicionales y los nuevos?
2.22. ¿Cuáles son las propiedades mecánicas generales de los materiales cerámicos?
2.23. ¿Qué tienen en común la bauxita y el corindón?
2.24. ¿Qué es la arcilla, que se emplea para fabricar productos cerámicos?
2.25. ¿Cuáles son algunas de las aplicaciones principales de los
carburos cementados, como el WC-Co?
2.26. ¿Cuál es una de las aplicaciones importantes del nitruro de
titanio, según se dice en el texto?
2.27. ¿Cuál es el mineral primario de los productos de vidrio?
2.28. ¿Qué significa el término desvitrificación?
2.29. ¿Qué es un polímero?
2.30. ¿Cuáles son las tres categorías básicas de los polímeros?
2.31. ¿Cómo se comparan las propiedades de los polímeros respecto de las de los metales?
2.32. ¿Qué es el entrecruzamiento de un polímero y cuál es su
importancia?
2.33. ¿De qué grupo de polímeros son miembros los nylons?
2.34. ¿Cuál es la fórmula química del etileno, el monómero del
polietileno?
2.35. ¿En qué difieren las propiedades de los polímeros termofijos
de las de los termoplásticos?
2.36. El entrecruzamiento (curado) de los plásticos termofijos se
lleva a cabo por una de tres maneras. Mencione estas tres.
2.37. Los polímeros elastómeros y termofijos son entrecruzados.
¿Por qué son tan diferentes sus propiedades?
2.38. ¿Cuál es el ingrediente polimérico principal del hule natural?
2.39. ¿En qué difieren los elastómeros termoplásticos de los hules
convencionales?
2.40. ¿Qué es un material compósito?
2.41. Identifique algunas de las propiedades características de los
materiales compósitos.
2.42. ¿Qué significa el término anisotrópico?
2.43. Mencione las tres categorías básicas de los materiales compósitos.
2.44. ¿Cuáles son las formas comunes de la fase de refuerzo en los
materiales compósitos?
2.45. ¿Qué es un cermet?
2.46. ¿Qué clase de compósitos son los carburos cementados?
2.47. ¿Cuáles son algunas de las debilidades de los cerámicos que
pueden corregirse en los compósitos de matriz cerámica reforzados con triquitas?
2.48. ¿Cuál es el material más común para las triquitas que se usan
en los plásticos reforzados con ellas?
2.49. Identifique algunas de las propiedades importantes de los
materiales compósitos de plástico reforzado con triquitas.
2.50. Mencione algunas de las aplicaciones importantes de los FRP.
3
Propiedades de los
materiales de ingeniería
CONTENIDO DEL CAPÍTULO
3.1
3.2
3.3
Relaciones esfuerzo-deformación
3.1.1 Propiedades a la tensión
3.1.2 Propiedades a la compresión
3.1.3 Doblado y prueba de materiales frágiles
3.1.4 Propiedades al cortante
Dureza
3.2.1 Pruebas de dureza
3.2.2 Dureza de distintos materiales
Efecto de la temperatura sobre las
propiedades mecánicas
3.4
3.5
3.6
3.7
Propiedades de los fluidos
Comportamiento viscoelástico de los
polímeros
Propiedades volumétricas y de fusión
3.6.1 Densidad y expansión térmica
3.6.2 Características de fusión
Propiedades térmicas
3.7.1 Calor específico y conductividad térmica
3.7.2 Propiedades térmicas en la manufactura
Las propiedades de un material de ingeniería determinan su respuesta a las diferentes formas de
energía que se usan en los procesos de manufactura. Si el material responde bien a las fuerzas,
temperaturas y otros parámetros físicos generados en un proceso particular, el resultado es una
operación exitosa que produce una pieza o un producto de alta calidad.
Las propiedades de los materiales pueden dividirse en dos categorías: mecánicas y físicas.
Las propiedades mecánicas de un material determinan su comportamiento cuando se le somete a
esfuerzos mecánicos. Estas propiedades incluyen rigidez, ductilidad, dureza y distintas medidas
de la resistencia. Las propiedades mecánicas son importantes en el diseño porque el funcionamiento y rendimiento de un producto dependen de su capacidad para resistir la deformación ante
los esfuerzos a que se le somete durante su uso. En el diseño, el objetivo del producto y sus componentes consiste en resistir dichos esfuerzos sin que su geometría cambie de manera significativa. Esta capacidad depende de propiedades como el módulo de elasticidad y la resistencia a la
cedencia. En la manufactura el objetivo es el opuesto. En ella se desea aplicar esfuerzos que excedan a la cedencia del material a fin de alterar su forma. Procesos mecánicos como el conformado y el maquinado tienen éxito debido al desarrollo de fuerzas que excedan la resistencia del
material ante la deformación. Así, se tiene el dilema siguiente: las propiedades mecánicas que
resultan deseables para el diseñador, como resistencia elevada, por lo general hacen que la manufactura del producto sea más difícil.
Las propiedades físicas definen el comportamiento de los materiales en respuesta a fuerzas
físicas distintas de las mecánicas. Incluyen las propiedades volumétricas y térmicas, así como las
características de fusión. Las propiedades físicas son importantes en la manufactura porque es
frecuente que influyan en el rendimiento del proceso. Las características de fusión son importantes en las operaciones de colado de metales. Los metales con temperaturas de fusión más altas
requieren mayor entrada de calor antes de verter el metal fundido en el molde. En el maquinado,
las propiedades térmicas del material determinan la temperatura de corte, lo que afecta el tiempo
que puede usarse la herramienta antes de que falle.
3.1
Relaciones esfuerzo-deformación 49
En este capítulo analizaremos las propiedades de los materiales de ingeniería que son más
relevantes para los procesos de manufactura cubiertos por el libro. Las propiedades mecánicas se
estudian en las secciones 3.1 a 3.5, y las propiedades físicas se analizan en las secciones restantes.
3.1 Relaciones esfuerzo-deformación
Existen tres tipos de esfuerzos mecánicos estáticos a los que se sujetan los materiales: tensión,
compresión y cortante. Los esfuerzos de tensión tienden a estirar al material, las de compresión
a compactarlo, y los cortantes comprenden esfuerzos que tienden a ocasionar que porciones adyacentes del material se deslicen una respecto a la otra. La curva esfuerzo-deformación es la relación básica que describe las propiedades mecánicas para los tres tipos de esfuerzos.
3.1.1
Propiedades a la tensión
La prueba de tensión es el procedimiento más común para estudiar la relación esfuerzo-deformación, en particular para los metales. Durante la prueba se aplica una fuerza que tira del material
y tiende a estirarlo y reducir su diámetro, como se ilustra en la figura 3.1a). Los estándares de la
ASTM (American Society for Testing and Materials) especifican el modo de preparación del
espécimen de prueba (probeta) y de la realización de la prueba misma. En la figura 3.1b) y c) se
ilustran la probeta común y la preparación general de la prueba, respectivamente.
La probeta con que se inicia la prueba tiene una longitud original Lo y un área Ao. La longitud
se mide como la distancia entre las marcas de medición, y el área como la sección transversal
(circular, por lo general) de la probeta. Durante la prueba de un metal, la probeta se estira, luego
le aparece un estrangulamiento y por último se fractura, como se muestra en la figura 3.2. La
carga y el cambio de longitud de la probeta se registran conforme la prueba se efectúa a fin de
obtener los datos que se requieren para determinar la relación esfuerzo-deformación. Hay dos
tipos diferentes de curvas esfuerzo-deformación: 1) la curva de esfuerzo-deformación de ingeniería y 2) la de esfuerzo-deformación verdadera. La primera es más importante para el diseño, y la
segunda lo es para la manufactura.
F
A
Cabezal fijo
Ao
F
Columna
Espécimen de prueba
(probeta)
F
Marcas
de medición
Lo
L
Cabezal móvil
F
v
Lo
Mesa
F
Base y actuador
F
1)
2)
a)
b)
c)
FIGURA 3.1 Prueba de tensión: a) la fuerza de tensión que se aplica en 1) y 2) da como resultado el estiramiento del material, b) probeta común y c) configuración de la prueba de tensión. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover,
2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)
16:3:56
Page 51
50 CAPÍTULO 3
Propiedades de los materiales de ingeniería
Section 3.1/Stress–Strain Relationships
51
F
F
F
Estrangulamiento
Lo
Lf
F
F
1)
2)
F
3)
4)
5)
6)
FIGURA 3.2 Desarrollo común de una prueba de tensión: 1) inicio de la prueba, sin carga; 2) estiramiento uniforme y reducción del área de la sección transversal; 3) continuación del estiramiento, se alcanzaFIGURE
la carga máxima;
4) formación
de unofestrangulamiento,
la carga
comienza
disminuir,
y 5) (2)
fractura.
Si
3.2 Typical
progress
a tensile test: (1)
beginning
of atest,
no load;
uniform
loselongation
elementos seand
unenreduction
como se ilustra
en 6), es posible medir
longitud
final. (Crédito:
Fundamentals
of
of cross-sectional
area;la(3)
continued
elongation,
maximum
Modern
Manufacturing,
4a. ed., de
Mikell P.
Groover,
2010.
autorización
de John
Wiley &
load reached;
(4) necking
begins,
load
begins
to Reimpreso
decrease;con
and
(5) fracture.
If pieces
Sons, Inc.)
are put back together as in (6) , final length can be measured. (Credit: Fundamentals of
Modern Manufacturing, 4th Edition by Mikell P. Groover, 2010. Reprinted with permission of John Wiley & Sons, Inc.)
Esfuerzo-deformación de ingeniería El esfuerzo-deformación de ingeniería en una prueba de
Engineering
Stress–Strain
The
engineering
stress
and strain
in a tensile
are
tensión
que se define
en relación con
el área
y la longitud
originales
de la probeta.
Dichostest
valores
defined
relative
to
the
original
area
and
length
of
the
test
specimen.
These
values
are
son de interés en el diseño debido a que el diseñador espera que las deformaciones experimentaof
interest
in
design
because
the
designer
expects
that
the
strains
experienced
by
any
das por cualquier componente del producto no cambiarán su forma de manera significativa. Los
componentestán
of the
productpara
will soportar
not significantly
change
shape.encontrarán
The components
componentes
diseñados
los esfuerzos
que its
se prevé
durante are
su
designed
to
withstand
the
anticipated
stresses
encountered
in
service.
uso.
A figura
typical3.3
engineering
stress–strain
curve
a tensile test of de
a metallic
specimen
En la
se ilustra una
curva común
del from
esfuerzo-deformación
ingeniería
de una
is
illustrated
in
Figure
3.3.
The
engineering
stress
at
any
point
on
the
curve
is
defined
as
prueba de tensión de una probeta metálica. El esfuerzo de ingeniería (ingenieril) en cualquier
the
force
divided
by
the
original
area:
punto de la curva se define como la fuerza dividida entre el área original:
s¼
F
(3.1)
(3.1)
Ao
Carga máxima
TS
Fractura
FIGURE 3.3 Typical
engineering stress–strain
FIGURA
Gráfica
plot in a3.3
tensile
testnormal
of a del
esfuerzo-deformación
de
ingeniemetal. (Credit: Fundamentals
ríaof
durante
unaManufacturing,
prueba de tensión
Modern
th metal. (Crédito: Fundamende4un
Edition by Mikell
tals
Modern Manufacturing,
4a.
P.ofGroover,
2010. Reprinted
ed.,
de
Mikell
P.
Groover,
2010.
with permission of John
Reimpreso con autorización de
Wiley & Sons, Inc.)
John Wiley & Sons, Inc.)
Stress, sse (lb/in.2)
08/16/2011
Esfuerzo, se (lb/pulg2)
C03
Y
Región plástica
Región elástica
Compensación (desviación de 0.2%)
Deformación, e
52
3.1
Chapter 3/Properties of Engineering Materials
Relaciones esfuerzo-deformación 51
where s ¼ engineering stress, MPa (lb/in2), F ¼ applied force in the test, N (lb), and A ¼
donde s = esfuerzo ingenieril, MPa (lb/pulg22), F 2= fuerza aplicada durante la prueba, N (lb) y oAo
original area of the test specimen, mm (in ). The engineering strain at any point in the
= área original de la probeta, mm2 (pulg2). La deformación ingenieril en cualquier punto de la
test is given by
prueba está dada por
L � Lo
(3.2)
e¼
(3.2)
Lo
donde
e =edeformación
ingenieril,
(pulg/pulg);
en cualquier
duranwhere
¼ engineering
strain,mm/mm
mm/mm
(in/in); LL =
¼ longitud
length at
any pointpunto
during
the
te elongation,
el estiramiento,
mm
(pulg),
y
L
=
longitud
de
medición
original,
mm
(pulg).
Las
unidades
de
o
mm (in); and Lo ¼ original gage length, mm (in). The units of engineering
la strain
deformación
ingenieril
se
dan
como
mm/mm
(pulg/pulg),
pero
puede
concebirse
que
represenare given as mm/mm (in/in), but we can think of it as representing elongation per
tanunit
estiramiento
por unidad
de longitud, sin unidades.
length, without
units.
La relación
esfuerzo-deformación
deinlaFigure
figura 3.3
dos regions,
regiones que
indicantwo
dos distinct
modos
The stress–strain relationship
3.3tiene
has two
indicating
distintos
de
comportamiento:
1)
elástico
y
2)
plástico.
En
la
región
elástica,
la
relación
entre
el
forms of behavior: (1) elastic and (2) plastic. In the elastic region, the relationship
esfuerzo
y
la
deformación
es
lineal,
y
el
material
muestra
un
comportamiento
elástico
porque
between stress and strain is linear, and the material exhibits elastic behavior by returning
regresa
su longitud
original
si lathe
carga
(esfuerzo)
La relación
está definida
por la
to itsaoriginal
length
when
load
(stress) se
is interrumpe.
released. The
relationship
is defined
by
leyHooke’s
de Hooke:
law :
s = Ee(3.3)
s ¼ Ee
(3.3)
donde E = módulo de elasticidad, MPa (lb/pulg2), 2que es una medida de la rigidez inherente del
where Es
E¼
modulus
ofde
elasticity,
MPa (lb/in
a measure
of the
inherent
stiffness
of a
material.
una
constante
proporcionalidad
cuyo),valor
es diferente
para
materiales
distintos.
a constant
of comunes
proportionality
whose
value metales
is different
for different
Enmaterial.
la tabla 3.1Itseispresentan
valores
para varios
materiales,
y no metales.
materials.
3.1 presents
typical
valuesun
forpunto
several
metals
anden
nonmetals.
ConformeTable
el esfuerzo
aumenta,
se alcanza
finalmaterials,
en la relación
lineal
el que el
stress increases,
some
point
in the linear
relationship
finally reached
at which
material As
comienza
a ceder. Ese
punto
de cedencia,
Y, del
material seisidentifica
en la figura
por
material
begins toalyield.
This
yield lineal.
point Debido
Y of the
material
can bedeidentified
in the
el the
cambio
de la pendiente
final de
la región
a que
el comienzo
la deformación
by theeschange
in slope
thegráfica
end ofdethe
linear
region.(regularmente
Because the start
of yielding
porfigure
lo general
difícil de
ver enat
una
datos
de prueba
no ocurre
como
usuallyabrupto
difficult
in a plot es
of común
test data
(it does
usually
occurcon
as an
change
uniscambio
detolasee
pendiente),
definir
a Y not
como
el esfuerzo
el abrupt
que ocurre
un
in slope),
Y is typically
as the
which
strainmás
offset
of 0.2%
the
avance
de la deformación
de defined
0.2% a partir
destress
la líneaatrecta.
Enaforma
específica,
es from
el punto
hasesfuerzo-deformación
occurred. More specifically,
it is interseca
the pointuna
where
stress–strain
curve
enstraight
el que laline
curva
del material
rectathe
paralela
a la porción
forde
the
intersects
is parallel
to the
the curve
but
recta
la material
curva, pero
desviada adeline
ella that
por una
deformación
destraight
0.2%. Elportion
punto deofcedencia
es una
offset fromdeitlaby
a strain del
of material,
0.2%. The
yield
is a strength
characteristic
of the
característica
resistencia
y por
ellopoint
es frecuente
hacer referencia
a él como
el
material,
and is(otros
therefore
often
to esfuerzo
as the yield
strengthy límite
(otherelástico).
names include
límite
de cedencia
nombres
quereferred
recibe son
de cedencia
yield
stressde
and
elastic limit).
El punto
deformación
marca la transición hacia la región plástica y el comienzo de la
The plástica
yield point
marks the
to the
plastic region
and the start
of plastic
deformación
del material.
Latransition
relación entre
el esfuerzo
y la deformación
ya no
estará
deformation
thedematerial.
The relationship
between
stress
strain
is no
longer
determinada
por of
la ley
Hooke. Conforme
se incrementa
la carga
másand
allá del
punto
de cedenguided
by Hooke’s
law.del
Asmaterial,
the load pero
is increased
beyond
point,
elongation
the
cia,
continúa
la elongación
a una tasa
muchothe
másyield
rápida
que la
anterior, loofque
ocasiona que la pendiente de la curva cambie en forma considerable, como se aprecia en la figura 3.3. La elongación va acompañada de una reducción uniforme del área de la sección transverTABLE 3.1
Elastic modulus for selected materials.
Modulus of Elasticity
TABLA 3.1
Metals
Modulus of Elasticity
Módulo de elasticidad para materiales 2seleccionados
Aluminum and alloys
Cast iron
Metales
Copper and alloys
Aluminio y sus aleaciones
Iron
Hierro fundido
Leady sus aleaciones
Cobre
Magnesium
Hierro
Nickel
Plomo
Steel
Magnesio
Titanium
Níquel
Tungsten
Acero
MPa
Ceramics and polymers
lb/in
69 Módulo
� 103 de elasticidad
10 � 106
3
138 �
10
20 lb/pulg
� 106 2
MPa
3
110 � 10 3
16 � 106 6
69 × 103
10 × 10
209 � 10 3
30 � 106 6
138 × 103
20 × 10
21 � 10 3
3 � 106 6
110 × 103
16 × 10
6
48
�×10
7 30
�×
1010
6
209
103 3
6
20921�×10
30
�
10
6
103 3
3 × 10
6
20948�×10
30 �7 ×
1010
6
103 3
6
3
117
�
10
17
�
10
209 × 10
30 × 106
3
6
3
6
407
�
10
59
�×
1010
209 × 10
30
Alumina
a
Diamond
Cerámicos y polímeros
Plate glass
Alúmina
Silicon carbide
Diamantea
Tungsten
carbide
Vidrio plano
Nylon
Carburo de silicio
Phenol
Carburoformaldehyde
de tungsteno
Polyethylene
(low density)
Nylon
Polyethylene
(high density)
Fenol formaldehído
Polystyrene
Polietileno (de baja densidad)
Titanio from [8], [11], [12], [16], 117
Polietileno (de alta densidad)
10 other sources.
17 × 10
Compiled
[17],×and
3
6
aTungsteno
407
×
10
59
×
10
Although diamond is not a ceramic, it is often compared with the Poliestireno
ceramic materials.
3
6
Compilado de las referencias [8], [11], [12], [16], [17], y de otras fuentes.
a Aunque el diamante no es una cerámica, con frecuencia se le compara con esos materiales.
MPa
lb/in2
3 elasticidad
Módulo
345
� 10de
50 � 106
3
1035
� 10
150 �2106
MPa
lb/pulg
3
69 � 10
10 � 106
345 × 103 3
50 × 106 6
448 � 10
65 � 10
1 035 × 103 3
150 × 106 6
552 � 310
80 � 10
69 × 10 3
10 × 106 6
3.0
�
10
0.40
�6 10
3
448 × 10 3
65 × 10
7.0× �
1.00
�6 106
552
103103
80
× 10
0.2× �
0.03
�6 106
3.0
103103
0.40
× 10
0.7× �
0.10
�6 106
7.0
10310
1.00
× 10
3
3.0× �
0.40
�6 106
0.2
10310
0.03
× 10
0.7 × 103
3.0 × 103
0.10 × 106
0.40 × 106
C03
08/16/2011
16:3:56
Page 53
52 CAPÍTULO 3
TABLE 3.2
Propiedades de los materiales de ingeniería
53
53
Section 3.1/Stress–Strain Relationships
Section 3.1/Stress–Strain Relationships
Yield strength and tensile strength for selected metals.
TABLA
a la cedencia
y resistencia
a lafor
tensión
de metales
seleccionados
TABLE 3.2 Resistencia
Yield strength
and tensile
strength
selected
metals.
Resistencia
Metal
Metal
Metal
Aluminum,
annealed
Aluminio,
recocido
Aluminum,aannealed
a
Aluminum,
Aluminio,
CW CWa
Aluminum, CW a a
Aleaciones
de aluminio
Aluminum
alloysa
Aluminum
alloys
Hierro
Cast colado
ironaa a
Cast
iron
Cobre,
recocido
Copper,
annealed
Copper, annealed
a a
Aleaciones
de cobre
Copper alloys
a
a
Copper alloys
Aleaciones
de
magnesio
Magnesium alloysaa
Magnesium alloys
Strength
aYield
la cedencia
Yield
Strength
MPa
lb/in222
MPa lb/pulg
MPa
lb/in
28
4 4,000
000
28
28
4,000
105
1515,000
000
105
105
15,000
2525,000
000
175
175
175
25,000
4040,000
000
275
275
275
40,000
1010,000
000
70
70
70
10,000
3030,000
000
205
205
205
30,000
2525,000
000
175
175
175
25,000
Tensile
Resistencia
Tensile
Strength
a Strength
la tensión
MPa
MPa
MPa
69
69
69
125
125
125
350
350
350
275
275
275
205
205
205
410
410
410
275
275
275
Resistencia
2
lb/in2 2
lb/pulg
lb/in
10,000
10
000
10,000
18,000
18
000
18,000
50
000
50,000
50,000
40
000
40,000
40,000
30
000
30,000
30,000
60
000
60,000
60,000
40
000
40,000
40,000
Metal
Metal
Metal
Nickel,recocido
annealed
Níquel,
Nickel, annealed
Steel, bajo
low Caaa
Acero,
Steel, low Ca a
Acero,
Steel, alto
highCC
Steel, high aCa a
Acero,
Steel, aleaciones
alloy
Steel, alloya aa
Acero,
Steel, inoxidable
stainlessa
Steel, stainless
Titanio,
puropure
Titanium,
Titanium, de
pure
Aleaciones
titanio
Titanium alloy
Titanium alloy
Yield
Strength
a la cedencia
Yield
Strength
MPa
lb/in22 2
MPa lb/pulg
MPa
lb/in
150
22,000
22
000
150
150
22,000
175
25,000
25
000
175
175
25,000
60
000
400
400
60,000
400
60,000
75
000
500
500
75,000
500
75,000
40
000
275
275
40,000
275
40,000
50
000
350
350
50,000
350
50,000
120
000
800
800
120,000
800
120,000
Tensile
Resistencia
Tensile
Strength
a la
tensión
Strength
MPa
MPa
MPa
450
450
450
300
300
300
600
600
600
700
700
700
650
650
650
515
515
515
900
900
900
2
lb/in2 2
lb/pulg
lb/in
65,000
65
000
65,000
45,000
45
000
45,000
90
000
90,000
90,000
100
000
100,000
100,000
95
000
95,000
95,000
75
000
75,000
75,000
130
000
130,000
130,000
Compilada a partir de las referencias [8], [11], [12], [17], y de otras fuentes.
Compiled from [8], [11], [12], [17], and other sources.
a Los valores dados son comunes. Para las aleaciones hay un rango amplio de los valores de resistencia, en función de su composición y tratamiento (por
Compiled from [8], [11], [12], [17], and other sources.
a
given are typical. For alloys, there is a wide range in strength values depending on composition and treatment (e.g., heat treatment,
aValuestratamiento
ejemplo,
térmico yFor
endurecimiento
Values given are typical.
alloys, therepor
is atrabajo).
wide range in strength values depending on composition and treatment (e.g., heat treatment,
work hardening).
work hardening).
specimen proceeds, but at a much faster rate than before, causing the slope of the curve to
specimen proceeds, but at a much faster rate than before, causing the slope of the curve to
sal,
consistente
con el mantenimiento
un volumen
constante. is
Poraccompanied
último, la carga
F
change
dramatically,
as shown inde
Figure
3.3. Elongation
by aplicada
a uniform
change dramatically, as shown in Figure 3.3. Elongation is accompanied by a uniform
alcanza
un valor
máximo, y el esfuerzo
ingenieril calculado
en ese punto
se denomina
resistencia
reduction
in cross-sectional
area, consistent
with maintaining
constant
volume.
Finally,
reduction in cross-sectional area, consistent with maintaining constant volume. Finally,
a la
o resistencia
última
a la tensiónvalue,
del material.
denota como
TS, donde
TS =at
F this
/
thetensión
applied
load F reaches
a maximum
and theSe
engineering
stress
calculated
the applied load F reaches a maximum value, and the engineering stress calculated atmáx
this
Aopoint
. TS y Y
propiedades
importantes
resistenciatensile
para losstrength
cálculos of
del the
diseño
(tambiénItseis
is son
called
the tensile
strengthdeorla ultimate
material.
point is called the tensile strength or ultimate tensile strength of the material. It is
lesdenoted
usa paraashacer
los deTS
manufactura).
tabla
3.2important
se listan algunos
valores
comunes
de la
TS la
and
Y are
strength
properties
in design
TS where
¼ F /Ao. En
denoted as TS where TS ¼ Fmax
max/Ao. TS and Y are important strength properties in design
resistencia
a la cedencia
resistencia
tensión para metales
seleccionados.
pruebas
concalculations
(they arey also
used
ina la
manufacturing
calculations).
Some Las
typical
values
of
calculations (they are also used in manufacturing calculations). Some typical values of
vencionales
de resistencia
a la strength
tensión son
y se emplea
una
yield strength
and tensile
aredifíciles
listed de
in hacer
Tablepara
3.2 los
for cerámicos,
selected metals.
Convenyield strength and
strength
are de
listed
in Table 3.2frágiles
for selected la
metals.
Convenprueba
paratensile
medir
la
resistencia
esos
sección
3.1.3).
tionalalternativa
tensile testing
of ceramics
is difficult,
andmateriales
an alternative test(véase
is used to
measure
the
tional
tensile
testing
of
ceramics
is
difficult,
and
an
alternative
test
is
used
to
measure
the
Los
polímeros
de los metales
y los(Section
cerámicos
en susPolymers
propiedades
de resistencia
a
strength
of difieren
these brittle
materials
3.1.3).
differ
in their debido
strength
strength
of
these
brittle
materials
(Section
3.1.3).
Polymers
differ
in
their
strength
la properties
plasticidad (véase
la sección
from metals
and3.5).
ceramics due to viscoelasticity (Section 3.5).
properties
fromdemetals
and ceramics
due to
(Section 3.5). la carga coA laTo
derecha
laofresistencia
a la
tensión,
enviscoelasticity
la curva
esfuerzo-deformación,
the right
the tensile
strength
on
the
stress–strain
curve, the load begins to
To
the
right
of
the
tensile
strength
on
the
stress–strain
the load
begins
to
mienza
a declinar
es común
que latypically
probeta comience
un proceso
de curve,
elongación
localizada
que
decline,
and they test
specimen
begins a process
of localized
elongation
known
decline,
and
the
test
specimen
typically
begins
a
process
of
localized
elongation
known
seasconoce
comoInstead
estrangulamiento.
En to
lugar
de continuar
deformaciónits
uniforme
todo lo
necking.
of continuing
strain
uniformlylathroughout
length, astraining
as necking.
Instead
of continuing
to strain
uniformly en
throughout
itspequeña
length,de
straining
largo
de su longitud,
comienza
a concentrarse
la deformación
una sección
la probecomes
concentrated
in one
small section
of the specimen.
The area
of that section
becomes
concentrated
in
one small
section of de
themanera
specimen.
The area
ofque
that
section
beta.
El áreadown
de esa
secciónsignificantly
se angosta
(se
estrangula)
hasta
sobrevienarrows
(necks)
until
failure occurs.
Thesignificativa
stress calculated
immediately
narrows
down
(necks)
significantly
until failure occurs. The stress calculated immediately
nebefore
la falla.failure
El esfuerzo
calculado
is known
as theinmediatamente
fracture stress.antes de la falla se conoce como esfuerzo de
before
failure
is
known
as
the
fracture
fractura.The amount of strain that the stress.
material can endure before failure is also a
The amount
of strainque
that material
the material
endure antes
before
failure
is laalso
La cantidad
de deformación
es capazcan
de soportar
de common
que
ocurra
fallaa
mechanical
property
of interest inelmany
manufacturing
processes. The
measure
mechanical
property
of
interest
in
many
manufacturing
processes.
The
common
measure
también
una propiedad
mecánica
de interés
muchos
procesos destrain
manufactura.
mediof thises
property
is ductility,
the ability
of apara
material
to plastically
withoutLa
fracture.
of this
property
ispropiedad
ductility,es
the ability of a material
plastically
fracture.
ción
común
de estacan
que es lato
capacidad
questrain
tiene without
unElongation
material
parais
This
measure
be taken laasductilidad,
either elongation
or area reduction.
This measure can be taken as either elongation or area reduction. Elongation is
deformarse
defined asplásticamente sin sufrir una fractura. Esta medición se toma ya sea como elongación
defined
as
o como
reducción
del área. La elongación se define como
Lf � L o
EL ¼ Lf � Lo
(3.4)
(3.4)
(3.4)
EL ¼ Lo
Lo
length
where
¼ elongation,
expressed
as asepercent;
f ¼ specimen
donde
ELEL
= elongación,
que often
de manera
frecuente
expresa L
como
un porcentaje;
Lf at
= fracture,
longitud
where
EL
¼ elongation,
often
expressed
as a percent;
L
f ¼ specimen length at fracture,
(in), measured
as fractura,
the distance
between
gagecomo
marks
after theentre
twolas
parts
of the
demm
la
probeta
al
ocurrir
la
mm
(pulg),
medida
la
distancia
marcas
de
mm (in), measured as the distance between gage marks after the two parts of the
original
specimen
length,
mm
(in).
Area
specimen
have been
put
back
together;
and
Lo ¼se
medición
después
de
que
las
dos
partes
de
la
probeta
han
vuelto
a
unir,
y
L
=
longitud
origio
mm (in). Area
specimen have been put back together; and Lo ¼ original specimen length,
is defined
as La reducción del área se define como
nalreduction
de la probeta,
mm (pulg).
reduction
is defined
as
Ao � Af
(3.5)
AR ¼ Ao � Af (3.5)
AR ¼ Ao
(3.5)
Ao
donde AR = reducción del área, que se expresa con frecuencia como porcentaje; Af = área de la
section
at
where AR ¼ area reduction, often expressed
as a2percent; Af ¼ area of the cross
2 (pulg
2). Exisarea
section
at
wheretransversal
AR ¼ areaenreduction,
expressed
as a percent;
sección
el punto deoften
fractura,
mm2 (pulg
), y Ao = A
área
mmcross
2original,
2 of the
f¼
mm
(in
).
There
are
problems
the point of fracture, mm22 (in22); and Ao ¼ original area,
2
(in ); andde
Aductilidad
area,almm
(in2). There que
are ocurre
problems
point ofcon
fracture,
mmmediciones
tenthe
problemas
estas dos
debido
estrangulamiento
en
o ¼ original
with both of these ductility measures because of necking that occurs in metallic test
bothmetálicas
of thesey ductility
measures
that occurs
in metallic
test
laswith
probetas
el efecto no
uniformebecause
asociadoof
connecking
la elongación
y la reducción
del área.
A pesar de esas dificultades, la elongación y la reducción porcentual del área son las medidas de
C03
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54
16:3:57
Page 54
3.1
Chapter 3/Properties of Engineering Materials
Relaciones esfuerzo-deformación 53
TABLE3.3
3.3 Ductilidad
Ductility
as %%elongation
(typical
values)
for various
selected
materials.
TABLA
como
de elongación
(valores
frecuentes)
para varios
materiales
seleccionados
Material
Material
Metals
Elongation
Material
Elongación Material
Metales
Aluminum, annealed
Aluminio
recocidocold worked
Aluminum,
Aluminio, trabajado en frío
Aluminum alloys, annealeda
Aleaciones de aluminio, recocidasa
Aluminum alloys, heat-treateda
Aleaciones de aluminio, tratadas
Aluminum alloys, casta
térmicamentea a
Cast iron,
gray
Aleaciones
de aluminio,
fundidasa
Copper,
annealed
a
Hierro colado, gris
Copper,
cold worked
Cobre,
recocido
Copper
alloy:
Cobre,
trabajado
en brass,
frío annealed
a
Magnesium
Aleación
de cobre:alloys
latón, recocido
a
Nickel,de
annealed
Aleaciones
magnesio
Níquel, recocido
Metals, continued
continuación
40%Metales,
Steel,
low
Ca
a
bajo Chigh
40% 8%Acero, Steel,
Ca
Acero, alto Ca
8%
a
20%
Steel, alloy
20%
Acero, aleacióna
8%
Steel, stainless, austenitica
Acero, inoxidable, austeníticoa
4%
Titanium, nearly pure
8%
Titanio, casi puro
0.6%
Zinc
alloy
4%
Aleación de zinc
45%
Ceramics
0.6%
Cerámicos
Polymers
45% 10%Polímeros
Thermoplastic
polymers
10% 60%Polímeros
termoplásticos
Thermosetting
60% 10%Polímeros
termofijos polymers
Elastomers
(e.g., rubber)
10% 45%Elastómeros
(por ejemplo,
hule)
Elongation
Elongación
30%
30%
10%
10%
20%
20%
55%
55%
20%
20%
10%
10%
b
00b
100%
100%
1%
1%
c c
1%1%
45%
Compiled from [8], [11], [12], [17], and other sources.
a
Compilado
partir de
lastypical.
referencias
[11], [12],
[17],
otras of
fuentes.
Valuesa given
are
For[8],
alloys,
there
is ay de
range
ductility that depends on composition and
a Los valores dados son comunes. Para las aleaciones hay un rango de ductilidad que depende de la composición y el
treatment (e.g., heat treatment, degree of work hardening).
b
tratamiento
(por
ejemplo, are
tratamiento
y grado deelastic
endurecimiento
porvirtually
trabajo). no plastic strain.
Ceramic
materials
brittle;térmico
they withstand
strain but
b Los
c materiales cerámicos son frágiles; muestran deformación elástica, pero virtualmente ninguna plástica.
Elastomers endure significant elastic strain, but their plastic strain is very limited, only around 1% being
c Los elastómeros soportan bastante deformación elástica, pero su deformación plástica es muy limitada (lo común es
typical.
de sólo 1%, aproximadamente).
specimens and the associated nonuniform effect on elongation and area reduction.
Despite these difficulties, percent elongation and percent area reduction are the most
la commonly
ductilidad que
se emplean
conofmayor
frecuencia
en la práctica
de la ingeniería.
Algunos
valoused
measures
ductility
in engineering
practice.
Some typical
values
of
respercent
frecuentes
del
porcentaje
de
elongación
para
distintos
materiales
(sobre
todo
metales)
se
elongation for various materials (mostly metals) are listed in Table 3.3. listan en la tabla 3.3.
True Stress–Strain real
Thoughtful
readers
may bequizás
troubled
bytenido
the useproblemas
of the original
Esfuerzo-deformación
Los lectores
acuciosos
hayan
por el area
uso
of
the
test
specimen
to
calculate
engineering
stress,
rather
than
the
actual
(instantaneous)
del área original de la probeta para calcular los esfuerzos ingenieriles en lugar del área real (insarea that
becomes
increasingly
smaller
as thelatest
proceeds.
actual area
were
used,
tantánea),
que
es cada vez
más pequeña
conforme
prueba
avanza.IfSithe
se utilizara
el área
real,
los
the
calculated
stress
value
would
be
higher.
The
stress
value
obtained
by
dividing
the
esfuerzos calculados serían mayores. El valor del esfuerzo que se obtiene al dividir la carga apliinstantaneous
value
of
area
into
the
applied
load
is
defined
as
the
true
stress:
cada entre el valor instantáneo del área se define como esfuerzo real:
s¼
F
(3.6)
(3.6)
A
2 2); F = fuerza, N (lb), y A = área real (instantánea) que
donde
σ=
real, MPa
MPa (lb/in
(lb/pulg
where
s ¼esfuerzo
true stress,
); F ¼ force, N (lb); and A ¼ actual (instantaneous) area
2
2
2
2
resiste
la carga,
resisting
the mm
load,(pulg
mm ).(in ).
De manera
similar,
deformación
proporciona
evaluaciónofmás
de la elonSimilarly,
true la
strain
providesreal
a more
realisticuna
assessment
therealista
‘‘instantaneous’’
gación
“instantánea”
por
unidad
delThe
material.
la deformación
una
elongation
per unit
length
ofde
thelongitud
material.
valueElofvalor
true de
strain
in a tensile real
testen
can
be
prueba
de tensión
se estimathe
portotal
medioelongation
de dividir la
elongación
total en incrementos
pequeños,
el
estimated
by dividing
into
small increments,
calculating
the engicálculo
de la
deformación
para
incremento
sobre la base
de su
longitud
inicial,up
y
neering
strain
for eachingenieril
increment
oncada
the basis
of its starting
length,
and
then adding
después
con lavalues.
suma de
la deformación.
En elaslímite, la deformación real se define
the strain
Inlos
thevalores
limit, de
true
strain is defined
como
ZL
dL
L
(3.7)
e¼
¼ ln
(3.7)
L
Lo
Lo
donde L = longitud instantánea en cualquier momento durante la elongación. Al final de la pruewhere L ¼ instantaneous length at any moment during elongation. At the end of the test
ba (u otra deformación), el valor final de la deformación se calcula con el uso de L = Lf.
(or other deformation), the final strain value can be calculated using L ¼ Lf.
Cuando se grafican los datos del esfuerzo-deformación ingenieril de la figura 3.3, con el
When the engineering stress–strain data in Figure 3.3 are plotted using the true
empleo de los valores del esfuerzo y la deformación reales, la curva que resulta tiene la apariencia
stress and strain values, the resulting curve appears as in Figure 3.4. In the elastic region,
de la que se muestra en la figura 3.4. En la región elástica, la gráfica es virtualmente la misma
the plot is virtually the same as before. Strain values are small, and true strain is nearly
de antes. Los valores de la deformación son pequeños y la deformación real es casi igual a la de
ingeniería para la mayor parte de los metales de interés. Los valores de esfuerzo respectivos tam-
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C03
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Propiedades de los materiales de ingeniería
FIGURA 3.4 Curva esfuerzo-deformación reales
para la gráfica anterior de
esfuerzo-deformación ingenieril que se muestra en la
figura 3.3. (Crédito: FundaFIGURE
True
mentals
of3.4
Modern
ManuFIGURE
3.4
True
stress–strain
curve
for
facturing,
4a.
ed.,
de Mikell
stress–strain
for
FIGURE
3.4 curve
True
P.the
Groover,
2010.
Reimpreprevious
engineering
the previous engineering
stress–strain
curve for
so
conprevious
autorización
stress–strain
plot
stress–strain
plotdein
inJohn
the
engineering
Wiley
&
Sons,
Inc.)
Figure
3.3.
(Credit:
Figure 3.3. (Credit:
stress–strain plot in
Fundamentals
of
Fundamentals
of
Figure
3.3. (Credit:
Modern
Manufacturing,
Modern
Manufacturing,
Fundamentals
of
th
th Edition by Mikell
44
Edition
by Mikell
Modern
Manufacturing,
P.
2010.
P.
Groover,
2010.
4thGroover,
Edition by
Mikell
Reprinted
with
Reprinted
with
P.
Groover,
2010.
permission
of
permissionwith
ofJohn
John
Reprinted
Wiley
&
Sons,
Wiley & Sons,
Inc.)
permission
of Inc.)
John
Wiley & Sons, Inc.)
Section
Section3.1/Stress–Strain
3.1/Stress–Strain Relationships
Relationships
Section 3.1/Stress–Strain Relationships
Curva proyectada si no
hubiera ocurrido
estrangulamiento
Esfuerzo real, σ
54 CAPÍTULO 3
55
55
55
Comienzo del
estrangulamiento
Punto de cedencia, comienzo
de la región plástica
Región elástica:
σ = Eϵ
Deformación real, ϵ
bién
estánto
cerca el uno
del otro.
La
razón
de estas
casi igualdades
es que el área
de values
la
sección
equal
engineering
strain
for
metals
of
The
stress
are
equal
tomuy
engineering
strain
for most
most
metals
of interest.
interest.
The respective
respective
stress
values
are
transversal
de
la
probeta
no
se
reduce
significativamente
en
la
región
elástica.
Así,
puede
utilizaralso
very
close
to
each
other.
The
reason
for
these
near
equalities
is
that
the
crossalso
very
close
to
each
other.
The
reason
for
these
near
equalities
is
that
the
crossequal to engineering strain for most metals of interest. The respective stress values are
sesectional
la leyvery
de Hooke
para
relacionar
el The
esfuerzo
real
con these
la deformación
σelastic
=isEthat
ϵregion.
.region.
area
of
the
test
isisnot
reduced
in
the
sectional
area
of
theeach
testspecimen
specimen
notsignificantly
significantly
reduced
inreal:
theelastic
Thus,
also
close
to
other.
reason
for
near equalities
the Thus,
crossLa
diferencia
entre
la
curva
esfuerzo-deformación
reales
y
su
contraparte
ingenieril
se
enHooke’s
law
can
be
used
to
relate
true
stress
to
true
strain:
s
¼
Ee.
Hooke’s
law
can
be
used
to
relate
true
stress
to
true
strain:
s
¼
Ee.
sectional area of the test specimen is not significantly reduced in the elastic region. Thus,
cuentra
en
la
región
plástica.
Los
valores
del
esfuerzo
son
mayores
en
la
región
plástica
porque
The
difference
between
the
true
stress–strain
curve
and
its
engineering
counterpart
The
difference
between
the
true
stress–strain
curve
and
its
engineering
counterpart
Hooke’s law can be used to relate true stress to true strain: s ¼ Ee.
enoccurs
el cálculo
ahora
se emplea
elThe
área
instantánea
la higher
sección
transversal
deregion
la probeta,
que the
se
in
plastic
region.
stress
are
the
plastic
because
occurs
in the
the
plastic
region.
The
stress
valuesde
are
higher
in
theits
plastic
region
because
the
The
difference
between
the
true values
stress–strain
curvein
and
engineering
counterpart
redujo
continuamente
durante
la
elongación.
Como
en
la
curva
anterior,
al
final
ocurre
una
caída
instantaneous
cross-sectional
area
of
the
specimen,
which
has
been
continuously
reduced
instantaneous
cross-sectional
area
of the
specimen,
whichinhas
continuously
reduced
occurs
in the plastic
region. The
stress
values
are higher
thebeen
plastic
region because
the
como
resultado
del
estrangulamiento.
En
la
figura
se utiliza
una
línea
punteada
paraaa downturn
indicar
la
during
elongation,
isis now
in
As
the
previous
curve,
during
elongation,
now used
usedarea
in the
the
computation.
As in
in
the
previous
curve,
downturn
instantaneous
cross-sectional
of computation.
the
specimen,
which
has
been
continuously
reduced
continuación
proyectada
de
la
gráfica
esfuerzo-deformación
reales,
si
no
hubiera
habido
estranfinally
occurs
as
a
result
of
necking.
A
dashed
line
is
used
in
the
figure
to
indicate
the
finally occurs
as a result
necking.
A dashed lineAs
is in
used
the figure
to indicate
the
during
elongation,
is nowof
used
in the computation.
thein
previous
curve,
a downturn
gulamiento.
projected
continuation
of
the
true
plot
necking
had
not
projected
continuation
ofof
the
true stress–strain
stress–strain
plotisififused
necking
had
not occurred.
occurred.
finally
occurs
as a result
necking.
A dashed line
in the
figure
to indicate the
Conforme
la deformación
se
en la
región
plástica,
los not
valores
destrain
la deforAs
becomes
in
region,
the
of
and
As strain
strain
becomesofsignificant
significant
in the
the plastic
plastic
region,
the values
values
of true
true
strain
and
projected
continuation
thehace
truesignificativa
stress–strain
plot
if necking
had
occurred.
mación
real
y
de
ingeniería
divergen.
La
deformación
real
se
relaciona
con
la
correspondiente
de
engineering
strain
diverge.
True
strain
can
be
related
to
the
corresponding
engineering
engineering
strain
diverge.
True strain
be related
to the
As strain
becomes
significant
in can
the plastic
region,
thecorresponding
values of trueengineering
strain and
ingeniería
por
medio
de
strain
by
strain by
engineering
strain diverge. True strain can be related to the corresponding engineering
strain by
ee ¼
(3.8)
¼ lnð1
lnð1þ
þeÞ
eÞ(3.8)
(3.8)
e ¼ lnð1 þ eÞ
(3.8)
DeSimilarly,
manera similar,
el esfuerzo
real y el ingenieril
relacionan
conby
la expresión
true
and
stress
can
be
the
Similarly,
true stress
stress
and engineering
engineering
stressse
can
be related
related
by
the expression
expression
Similarly, true stress and engineering stress can be related by the expression
ss ¼
(3.9)
¼ sð1
sð1þ
þeÞ
eÞ (3.9)
(3.9)
s ¼ sð1 þ eÞ
(3.9)
In
Figure
that
stress
continuously
in
plastic
until
En la
3.43.4,
debenote
notarse
en laincreases
región plástica
el esfuerzo
se incrementa
en forma
Infigura
Figure
3.4,
note
thatque
stress
increases
continuously
in the
the
plastic region
region
until
necking
begins.
When
this
happened
in
the
engineering
stress–strain
curve,
its
significontinua
hasta
que comienza
elthat
estrangulamiento.
esto pasaba
curva
de
esfuerzonecking
begins.
When
this
happened
in the Cuando
engineering
stress–strain
curve,
its signifiIn
Figure
3.4,
note
stress increases
continuously
in en
thelaplastic
region
until
cance
lost
an
erroneous
area
was
to
calculate
stress.
deformación
ingenieril,
su importancia
se perdía
paravalue
calcular
esfuerzo
se había
utilicance was
was
lost because
because
an admittedly
admittedly
erroneous
area
value
waselused
used
tocurve,
calculate
stress.
necking
begins.
When
this
happened
in theporque
engineering
stress–strain
its signifiNow
when
the
true
stress
also
increases,
it
cannot
be
dismissed
so
lightly.
What
it
means
isis
zado
un when
valor
que
sean
sabía
erróneo. Ahora,
cuando
el value
esfuerzo
real
también
se incremenNow
theárea
true
stress
also
increases,
it cannot
be
dismissed
so
lightly.
it means
cance
was de
lost
because
admittedly
erroneous
area
was
used
to What
calculate
stress.
that
the
metal
is
becoming
stronger
as
strain
increases.
This
is
the
property
called
strain
ta, Now
no sethe
puede
ignorar
tan a also
lastronger
ligera.
Eso
significa
que
el metal
seso
está
haciendo
más
fuerte
that
metal
is
becoming
as strain
increases.
This is
the
property
called
strain
when
the
true
stress
increases,
it cannot
be dismissed
lightly.
What
it means
is
hardening
that
metals
exhibit
to
aa greater
or
degree.
conforme
la
deformación.
Esta propiedad
se denomina
endurecimiento
deformahardening
thatismost
most
metalsstronger
exhibit
to strain
greater
or lesser
lesser
degree.
that
theaumenta
metal
becoming
as
increases.
This
is the propertypor
called
strain
hardening,
or
hardening
as
itit isisor
often
called,
isis an
ción,
queStrain
poseen
casi
todos
los
metales
ento
mayor
o menor
grado.
Strain
hardening,
or work
work
hardening
as
often
called,
an important
important factor
factor in
in
hardening
that
most
metals
exhibit
a greater
lesser
degree.
certain
manufacturing
processes,
particularly
metal
forming.
Consider
the
behavior
of
aa
El endurecimiento
porprocesses,
deformación,
o endurecimiento
por
trabajo,
como
se behavior
le denomina
certain
manufacturing
particularly
forming.
Consider
the
ofin
Strain
hardening,
or work hardening
as metal
it is often
called,
is an
important
factor
metal
as
it
is
affected
by
this
property.
If
the
portion
of
the
true
stress–strain
curve
concertain
frecuencia,
un factorprocesses,
importante
en ciertos
procesos
de manufactura,
enthe
particular
en
el a
metal
asmanufacturing
it isesaffected
by
this property.
If the
portion
of the
true stress–strain
curve
particularly
metal
forming.
Consider
behavior
of
representing
plastic
region
were
aametal
log–log
scale,
the
result
be
laminado
delitmetal.
Considere
elthis
comportamiento
deon
unportion
enoffunción
de cómo
afectacurve
esta
representing
the
plasticby
region
were plotted
plotted
on
log–log
scale,
the
resultlowould
would
be aa
metal
as
isthe
affected
property.
If the
the true
stress–strain
linear
in
3.5.
ititque
isis aarepresenta
straight
line
in
transforpropiedad.
Si la parte
deas
curva
esfuerzo-deformación
la result
región
plástica
se a
linear relationship,
relationship,
aslashown
shown
in Figure
Figureplotted
3.5. Because
Because
straight
line
in this
this
transforrepresenting
the plastic
region
were
on areal
log–log
scale, the
would
be
mation
of
the
data,
the
relationship
between
true
stress
and
true
strain
in
the
plastic
graficara
escala
el resultado
sería
relación
como
aprecia
enthe
la
figura
mationen
ofuna
the
data,log-log,
relationship
between
true stress
trueseline
strain
plastic
linear
relationship,
asthe
shown
in Figure
3.5.una
Because
it lineal,
is aand
straight
in in
this
transforregion
can
be
as
3.5.
Debido
con
estathe
transformación
de
los datostrue
se genera
la relación
entre
region
can
be expressed
expressed
as
mation
ofa que
the
data,
relationship
between
stressuna
andlínea
truerecta,
strain
in the plastic
el esfuerzo
realbe
y laexpressed
deformación
se expresa como
region can
as real en la región plástica
n
ss ¼
(3.10)
(3.10)
¼ Ke
Ken
n
(3.10)
s ¼ Ke (3.10)
FIGURA 3.5 Curva esfuerzo-deformación real en escala log-log. (Crédito:
Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover,
2010. Reimpreso con autorización de
John Wiley & Sons, Inc.)
Esfuerzo real, σ (ksi)
3.1
Relaciones esfuerzo-deformación 55
Comienzo del
estrangulamiento
100
K
a
b
10
Pendiente n =
1
0.001
a
b
0.01
0.1 a/b 1.0
Deformación real, ϵ
Esta ecuación se llama curva de flujo y proporciona una aproximación buena del comportamiento de los metales en la región plástica, inclusive de su capacidad de endurecerse por deformación. La constante K se llama coeficiente de resistencia, MPa (lb/pulg2), y es igual al valor del
esfuerzo real para un valor igual a 1 de la deformación real. El parámetro n se denomina exponente de endurecimiento por deformación, y es la pendiente de la recta que se observa en la figura 3.5. Su valor está directamente relacionado con la tendencia de un metal para endurecerse
con el trabajo. En la tabla 3.4 se dan valores comunes de K y n para metales seleccionados.
Tipos de relaciones esfuerzo-deformación La curva de esfuerzo-deformación reales proporciona mucha información sobre el comportamiento elástico-plástico. Como se mencionó, la ley
de Hooke (σ = Eϵ) gobierna el comportamiento del metal en la región elástica, y la curva de
flujo (σ = Kϵn) lo determina en la región plástica. Son tres las formas básicas de relación esfuerzo-deformación que describen el comportamiento de casi todos los materiales sólidos, las cuales
se muestran en la figura 3.6:
a) Perfectamente elástico. El comportamiento de este material queda definido por completo
por su rigidez, indicada por el módulo de elasticidad E. En lugar de producir un flujo plástico, se fractura. Los materiales frágiles como los cerámicos, muchos tipos de hierro fundido
y polímeros termofijos, poseen curvas de esfuerzo-deformación que pertenecen a esta categoría. Estos materiales no son buenos candidatos para las operaciones de conformado.
TABLA 3.4 Valores característicos del coeficiente de resistencia (K) y del exponente de endurecimiento por deformación (n)
para metales seleccionados
Coeficiente de
resistencia, K
Exponente de
endurecimiento
por deformación, n Material
Material
MPa
lb/pulg2
Aluminio puro recocido
Aleación de aluminio,
recocidaa
Aleación de aluminio,
tratada térmicamente
Cobre, puro, recocido
Aleación de cobre, latóna
175
25 000
0.20
240
35 000
0.15
400
300
700
60 000
45 000
100 000
0.10
0.50
0.35
Acero, bajo C,
recocidoa
Acero, alto C,
recocidoa
Acero, aleación,
recocidoa
Acero, inoxidable,
austenítico,
recocido
Coeficiente de
resistencia, K
Exponente de
endurecimiento
por deformación, n
MPa
lb/pulg2
500
75 000
0.25
850
125 000
0.15
700
100 000
0.15
1 200
175 000
0.40
Recopilado a partir de las referencias [10], [11], [12], y de otras fuentes.
a Los valores de K y n varían de acuerdo con la composición, el tratamiento térmico y el endurecimiento por trabajo.
16:3:57
Page 57
56 CAPÍTULO 3
Propiedades de los materiales de ingeniería
ϵ
a)
57
σ
Section 3.1/Stress–Strain Relationships
σ
08/16/2011
σ
C03
ϵ
b)
ϵ
c)
FIGURA 3.6 Tres categorías para la relación esfuerzo-deformación: a) perfectamente elástico, b) elástico y perfectamente plástico y c) elástico y endurecido por deformación. (Crédito: Fundamentals of MoFIGURE
3.6 Three
categories
stress–strain
(a) perfectly
dern
Manufacturing,
4a. ed.,
de Mikell of
P. Groover,
2010. relationship:
Reimpreso con autorización
deelastic,
John Wiley &
(b) Inc.)
elastic and perfectly plastic, and (c) elastic and strain hardening. (Credit: FundaSons,
mentals of Modern Manufacturing, 4th Edition by Mikell P. Groover, 2010. Reprinted
with permission of John Wiley & Sons, Inc.)
b) Elástico y perfectamente plástico. Este material tiene una rigidez definida por E. Una vez
(b) Elastic and perfectly plastic. This material has a stiffness defined by E. Once the
que se alcanza la resistencia de cedencia, Y, el material se deforma plásticamente con el
yield strength Y is reached, the material deforms plastically at the same stress level.
mismo nivel de esfuerzo. La curva de flujo está dada por K = Y y n = 0. Los metales se
The flow curve is given by K ¼ Y and n ¼ 0. Metals behave in this fashion when
comportan de esta manera cuando se calientan a temperaturas suficientemente altas que los
they have been heated to sufficiently high temperatures that they recrystallize
recristalizan en lugar de endurecerlos por deformación durante su trabajo. El plomo presenrather than strain harden during deformation. Lead exhibits this behavior at
ta este comportamiento a temperatura ambiente porque ésta es superior al punto de recristaroom temperature because room temperature is above the recrystallization point
lización del plomo.
for lead.
c) Elástico y endurecimiento por deformación. Este material obedece a la ley de Hooke en la
(c)región
Elastic
and strain
hardening.
material de
obeys
Hooke’s
lawdeformación
in the elasticcontinua
region.
elástica.
Comienza
a fluir a This
su resistencia
cedencia
Y. Una
It
begins
to
flow
at
its
yield
strength
Y.
Continued
deformation
requires
an
everrequiere un esfuerzo siempre creciente, dada por una curva de flujo cuyo coeficiente de
reincreasing
stress,
given
by
a
flow
curve
whose
strength
coefficient
K
is
greater
than
sistencia K es mayor que Y y cuyo exponente de endurecimiento por deformación, n, esY
and whose
strain-hardening
n is se
greater
thancomo
zero.función
The flow
mayor
que cero.
La curva de flujoexponent
por lo general
representa
linealcurve
en unais
generally
as a linearLafunction
natural
logarithmic
Most de
ductile
gráfica
hecharepresented
en papel logarítmico.
mayoríaon
de alos
metales
dúctiles se plot.
comportan
este
metals
behave
this way
modo
cuando
se trabajan
en when
frío. cold worked.
Los procesos de manufactura que deforman los materiales a través de la aplicación de esfuerzos de tensión
incluyen el
estirado that
de alambres
barras (véase
la sección
13.4) y eloftrefilado
Manufacturing
processes
deform ymaterials
through
the application
tensile
(véase
la
sección
14.6.1).
stresses include wire and bar drawing (Section 13.4) and stretch forming (Section 14.6.1).
3.1.2
Propiedades aPROPERTIES
la compresión
3.1.2 COMPRESSION
A prueba
compression
test applies
load
that
a una
cylindrical
betweenentre
two
Una
de compresión
aplicaauna
carga
quesqueezes
comprime
muestra specimen
cilíndrica colocada
platens,
illustrated
inen
Figure
3.7.3.7.
As Conforme
the specimen
is compressed,
itsse
height
dos
placas,as
como
se ilustra
la figura
se comprime,
su altura
reduceis yreduced
el área
its cross-sectional
is increased.
Engineering
stress
is defined
deand
su sección
transversal searea
incrementa.
El esfuerzo
ingenieril
se define
como as
s¼
F
(3.11)
(3.11)
Ao
donde
Ao A
=o área
originalarea
de laofprobeta.
Ésta es This
la misma
del esfuerzo
ingenieril que
se
¼ original
the specimen.
is thedefinición
same definition
of engineering
stress
where
utilizó
prueba
de tensión.
deformaciónstrain
ingenieril
se define
useden
in lathe
tensile
test. TheLaengineering
is defined
ascomo
e¼
h � ho (3.12)
(3.12)
ho
donde
h=
altura
de la
en un momento
particular
de la prueba,
y ho and
= altura
where
h¼
height
ofprobeta
the specimen
at a particular
moment
into themm
test,(pulg),
mm (in);
ho ¼
inicial,
mmheight,
(pulg).mm
Debido
que durante
compresión
la altura
disminuye,
el valor the
de evalue
será
starting
(in).aBecause
the la
height
is decreased
during
compression,
negativo.
El
signo
negativo
por
lo
general
se
ignora
cuando
se
expresan
los
valores
de
la
deforof e will be negative. The negative sign is usually ignored when expressing values of
mación
por compresión.
compression
strain.
3.1
Ao
A
F
F
F
Cabezal móvil
Placa superior
Probeta
Placa inferior
v
ho
h
F
F
Mesa
2)
1)
a)
F
b)
Si en una prueba de compresión se grafica el esfuerzo ingenieril contra la deformación ingenieril, el resultado se asemeja a la figura 3.8. Como antes, la curva se divide en las regiones
elástica y plástica, pero la forma de la parte plástica es diferente de aquella correspondiente a la
prueba de tensión. Debido a que la compresión ocasiona que la sección transversal se incremente
(en vez de disminuir, como en la prueba de tensión), la carga se incrementa con mayor rapidez
que antes. Esto da como resultado un valor más alto del esfuerzo ingenieril calculado.
En la prueba de compresión ocurre algo más que contribuye al aumento del esfuerzo. Conforme la probeta cilíndrica se comprime, la fricción en sus superficies que están en contacto con
las placas tiende a impedir que los extremos del cilindro se expandan. Durante la prueba se consume energía adicional debido a esta fricción, lo que da como resultado una fuerza aplicada más
grande. También se muestra un incremento en el esfuerzo ingenieril calculado. Así, debido al
aumento del área de la sección transversal y a la fricción entre el espécimen y las placas, se obtiene la curva esfuerzo-deformación ingenieril característica de una prueba de este tipo, según se
aprecia en la figura.
Otra consecuencia de la fricción entre las superficies es que el material cercano de la parte
media del espécimen sí puede incrementar su área mucho más que los extremos. Esto resulta en
que la probeta adopte una forma característica de barril, como se ilustra en la figura 3.9.
Esfuerzo, σ
FIGURA 3.7
Prueba de compresión: a)
fuerza de compresión que
se aplica al ejemplar de
prueba en 1), y 2) que provoca un cambio en la altura;
y b) disposición de la prueba, exagerando el tamaño
de la probeta. (Crédito:
Fundamentals of Modern
Manufacturing, 4a. ed., de
Mikell P. Groover, 2010.
Reimpreso con autorización
de John Wiley & Sons, Inc.)
Relaciones esfuerzo-deformación 57
FIGURA 3.8 Curva esfuerzo-deformación ingenieril común para una prueba de compresión.
(Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons,
Inc.)
Punto de cedencia, comienzo
de la región plástica
Región elástica:
σ = Ee
Deformación, e
58 CAPÍTULO 3
Propiedades de los materiales de ingeniería
F
F
FIGURA 3.9 Efecto de barril en una prueba de compresión:
1) comienzo de la prueba y 2) después de que ha tenido lugar
una compresión considerable. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010.
Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)
F
F
1)
2)
Aunque hay diferencias entre las curvas de esfuerzo-deformación ingenieril correspondientes a la tensión y a la compresión, cuando se grafican los datos respectivos como esfuerzo-deformación reales, las relaciones son casi idénticas (para casi todos los materiales). Debido a que en
la bibliografía abundan más los resultados de la prueba de tensión, es posible obtener valores de
los parámetros de la curva de flujo (K y n) a partir de datos de esas pruebas y aplicarlos con igual
validez a una operación de compresión. Lo que debe hacerse al usar los resultados de la prueba
de tensión para una operación de compresión es ignorar el efecto del estrangulamiento, fenómeno
que es peculiar para la deformación inducida por esfuerzos de tensión. En la compresión no hay
un colapso correspondiente del trabajo. En las gráficas anteriores de curvas de tensión de esfuerzo-deformación, los datos se extrapolaron más allá del punto de estrangulamiento por medio de
líneas punteadas. Éstas representan mejor el comportamiento del material durante la compresión
que los datos de prueba reales de la tensión.
Las operaciones de compresión en la forja de metal son mucho más comunes que las de estiramiento. Los procesos importantes de compresión en la industria incluyen el laminado, el
forjado y la extrusión (véase el capítulo 13).
3.1.3
Doblado y prueba de materiales frágiles
Las operaciones de doblado se emplean para formar placas y hojas metálicas. Como se ve en la
figura 3.10, el proceso de doblar una sección transversal rectangular somete al material a esfuerzos de tensión (y deformación) en la mitad externa de la sección que se dobla, y a esfuerzos de
compresión (y deformaciones) en la mitad interior. Si el material no se fractura, queda doblado
en forma permanente (plásticamente), como se muestra en el inciso 3) de la figura 3.10.
F
F
Esfuerzos y
deformaciones
de compresión
t
b
L
1)
Esfuerzos y
deformaciones de tensión
2)
3)
FIGURA 3.10 El doblado de una sección transversal rectangular produce en el material esfuerzos tanto de tensión como de compresión: 1) carga inicial; 2) espécimen con mucho esfuerzo y deformación, y 3) pieza doblada. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)
60
Chapter 3/Properties of Engineering Materials
60
Chapter 3/Properties of Engineering Materials
3.1
Relaciones esfuerzo-deformación 59
the inner half. If the material does not fracture, it becomes permanently (plastically) bent
as shown in (3) of Figure 3.10.
the inner half. If the material does not fracture, it becomes permanently (plastically) bent
Hard,
brittle materials
(e.g., ceramics), which possess elasticity but little or no
materiales
y frágiles
asLos
shown
in (3) duros
of Figure
3.10.(por ejemplo, cerámicos), que tienen elasticidad pero poca o
plasticity,
are often
by asemethod
subjects
a bending
ninguna
plasticidad,
contested
frecuencia
pruebanthat
con un
métodothe
quespecimen
sujeta a latomuestra
a unaload.
carHard, brittle materials (e.g., ceramics), which possess elasticity but little or no
materials
not respond
well to traditional
because
of problems
in
gaThese
flexionante.
Estosdomateriales
no responden
bien a las tensile
pruebastesting
de tensión
tradicionales
debido
plasticity, are often tested by a method that subjects the specimen to a bending load.
preparing
thepara
testpreparar
specimens
and possible
misalignment
of themal
press
jaws
that
hold
the
a los
problemas
las
probetas
y
la
posibilidad
de
alinear
las
partes
de
la
prensa
These materials do not respond well to traditional tensile testing because of problems in
specimen.
bendingdetest
(also (también
known asconocida
the flexure
test)
is used
test the
strength
of
que
los sujeta.The
La prueba
doblado
como
prueba
de to
flexión)
se utiliza
para
preparing the test specimens and possible misalignment of the press jaws that hold the
theselamaterials,
setup illustrated
in del
(1)arreglo
of Figure
procedure,
probar
resistencia using
de estosa materiales,
con el uso
que se3.10.
ilustraInenthis
el diagrama
1) dea
specimen. The bending test (also known as the flexure test) is used to test the strength of
of En
rectangular
cross section
is positioned
between
two supports,
a load is
la specimen
figura 3.10.
ese procedimiento
se coloca
una probeta
de sección
transversaland
rectangular
these materials, using a setup illustrated in (1) of Figure 3.10. In this procedure, a
applied
at its center.
this se
configuration,
theEn
test
is configuración,
called a three-point
bending
test.
entre
dos apoyos,
y en su In
centro
aplica una carga.
esta
la prueba
se denomispecimen of rectangular cross section is positioned between two supports, and a load is
brittledematerials
do not
to the exaggerated
shown
Figure
3.10; instead
naThese
de doblado
tres puntos.
Losflex
materiales
frágiles no seextent
flexionan
en elingrado
exagerado
que
applied at its center. In this configuration, the test is called a three-point bending test.
deform
until
immediately
fracture.
Failurehasta
usually
occurs because
sethey
muestra
en laelastically
figura 3.10;
en vez
de ello, se before
deforman
elásticamente
el momento
inmeThese brittle materials do not flex to the exaggerated extent shown in Figure 3.10; instead
the anterior
ultimatea tensile
strength
of ocurre
the outer
of the
specimen
has la
been
exceeded.
diato
la fractura.
La falla
por fibers
lo general
porque
se excede
resistencia
finalThe
de
they deform elastically until immediately before fracture. Failure usually occurs because
strength
value
derived
fromdethis
test is called
thede
transverse
rupture
strength,
tensión
de las
fibras
exteriores
la probeta.
El valor
resistencia
obtenido
de esta calculated
prueba se
the ultimate tensile strength of the outer fibers of the specimen has been exceeded. The
denomina
from theresistencia
formula a la ruptura transversal, y se calcula con la fórmula siguiente
strength value derived from this test is called the transverse rupture strength, calculated
from the formula
1:5FL
(3.13)
(3.13)
TRS ¼
bt2
1:5FL
TRS ¼
(3.13)
2
bt(lb/pulg
donde
TRS
= resistencia
a la ruptura
F=
aplicada
la
where
TRS
¼ transverse
rupturetransversal,
strength, MPa
MPa
(lb/in22);); F
¼ carga
applied
load al
at ocurrir
fracture,
fractura,
= longitud
los apoyos
de la probeta,
mmmm
(pulg),
y band
y t son
las dimensioN (lb);NL(lb);
¼L
length
of theentre
specimen
between
supports,
(in);
b and
t are the
where TRS ¼ transverse rupture strength, MPa (lb/in2); F ¼ applied load at fracture,
nes
de
la
sección
transversal
de
la
probeta,
como
se
muestra
en
la
figura,
mm
(pulg).
dimensions of the cross section of the specimen as shown in the figure, mm (in).
N (lb); L ¼ length of the specimen between supports, mm (in); and b and t are the
dimensions of the cross section of the specimen as shown in the figure, mm (in).
3.1.4 SHEAR
PROPERTIES
3.1.4
Propiedades
al cortante
Shear involves application of stresses in opposite directions on either side of a thin
3.1.4 SHEAR PROPERTIES
Un cortante comprende la aplicación de esfuerzos en direcciones opuestas sobre ambos lados de
element to deflect it as shown in Figure 3.11. The shear stress is defined as
involves
of stresses
inseopposite
directions
on either
side of
a thin
unShear
elemento
delgadoapplication
a fin de deformarlo
como
muestra en
la figura 3.11.
El esfuerzo
cortante
se element
identificato
como
deflect it as shown in Figure 3.11.
F The shear stress is defined as
t¼
(3.14)
A
F
(3.14)
t¼
(3.14)
A force, N (lb); and A ¼ area over which
where t ¼ shear stress, MPa (lb/in2); F ¼ applied
the force is applied, mm2 (in2). Shear
2 2 strain can be defined as
where
¼ shear cortante,
stress, MPa
); F); ¼
applied
N (lb);
and
A=
¼área
areasobre
overlawhich
donde
τ =t esfuerzo
MPa(lb/in
(lb/pulg
F=
fuerzaforce,
aplicada,
N (lb),
yA
que
2
).deformación
Shear straincortante
can
be
defined
as
force
is applied,
mm22).(inLa
se the
aplica
la fuerza,
mm2 (pulg
se
define
como
d
g¼
(3.15)
bd
(3.15)
g¼
(3.15)
b deflection of the element, mm (in); and
where g ¼ shear strain, mm/mm (in/in); d ¼ the
FIGURE 3.11 Shear (a)
stress and (b) strain.
FIGURE 3.11 Shear (a)
(Credit: Fundamentals of
stress and (b) strain.
Modern Manufacturing,
(Credit: Fundamentals of
4th Edition by Mikell
Modern Manufacturing,
P.thGroover,
2010.
FIGURA
3.11
Cortante
4 Edition
by Mikell
Reprinted
with
a)P.esfuerzo
y
b)
deformaGroover, 2010.
permission
ofFundamenJohn
ción.
(Crédito:
Reprinted
with
Wiley
&
Sons,
Inc.)
tals of Modern Manufactupermission of John
ring, 4a. ed., de Mikell P.
Wiley & Sons, Inc.)
Groover, 2010. Reimpreso
con autorización de John
Wiley & Sons, Inc.)
b ¼ the orthogonal distance over which deflection occurs, mm (in).
where
¼ shear strain,
mm/mm
(in/in);
d ¼ the deflection
of the
and
donde
γ Shear
=g deformación
cortante,
mm/mm
(pulg/pulg);
δ = deflexión
delelement,
elemento,mm
mm(in);
(pulg),
stress and strain are commonly tested in a torsion test, in which a thin-walled
the orthogonal
whichladeflection
mm (in).
y bb=¼distancia
ortogonaldistance
sobre la over
que ocurre
deflexión, occurs,
mm (pulg).
tubular specimen is subjected to a torque as shown in Figure 3.12. As torque is increased,
Shear probar
stress and
strain are
commonly tested
in apor
torsion
in which
a thin-walled
Es común
el esfuerzo
y deformación
cortantes
mediotest,
de una
prueba
de torsión,
the tube deflects by twisting, which is a shear strain for this geometry.
specimen
is subjected
to adelgada
torquese
assujeta
shown
in Figure
3.12.
As torque
increased,
entubular
la que una
probeta tubular
de pared
a un
par, como
se ilustra
en laisfigura
3.12.
the tubeeldeflects
by twisting,
which
is a por
shear
strainque
forpara
thisesta
geometry.
Conforme
par aumenta,
el tubo se
flexiona
torsión,
geometría es una deformación cortante.
Área de la sección
transversal, A
δ
F
F
b
F
F
a)
b)
08/16/2011
08/16/2011
16:3:57
16:3:57
Page 61
Page 61
60 CAPÍTULO 3
Propiedades de los materiales de ingeniería
Section 3.1/Stress–Strain Relationships
Section 3.1/Stress–Strain Relationships
L
FIGURE 3.12
t
Torsion
FIGURE 3.12
Torsionde
FIGURA
3.12
Arreglo
test setup.
(Credit:
test
setup.
(Credit:(Crédila
prueba
de torsión.
Fundamentals of
Fundamentals
to:
Fundamentalsof
of MoModern Manufacturing,
dern
4a.
Modern
Manufacturing,
th Manufacturing,
4th Edition by Mikell
ed.,
de MikellbyP.Mikell
Groover,
4 Edition
P. Groover,
2010.
2010.
Reimpreso
con autoP. Groover,
2010.
Reprinted
with
rización
de John
Reprinted
withWiley &
permission
John
Sons,
Inc.) of
permission
of John
Wiley & Sons, Inc.)
Wiley & Sons, Inc.)
61
61
A
α
R
T
T
R
t
Sección A-A
A
The
shearelstress
cancortante
be determined
in the
by the equation
En la
prueba,
esfuerzo
se determina
contest
la ecuación
The
shear stress
can be determined
in the
test
by the equation
T
t¼ T2
t ¼ 2pR2 t
2pR t
(3.16)
(3.16)
(3.16)
donde
T =¼
par aplicado,
N-mm (lb-pulg);
R = radio
del tubothe
medido respecto
del eje
neutro de
where
where T
T ¼ applied
applied torque,
torque, N-mm
N-mm (lb-in);
(lb-in); R
R¼
¼ radius
radius of
of the tube
tube measured
measured to
to the
the neutral
neutral
laaxis
pared,
mm
(pulg),
y t =(in);
espesor
detla¼pared,
mm
(pulg). La
deformación
cortante
se determina
of
the
wall,
mm
and
wall
thickness,
mm
(in).
The
shear
strain
axis of the wall, mm (in); and t ¼ wall thickness, mm (in). The shear strain can
can be
be
con
la medición
de
la cantidad
deamount
deflexión
angular
del
tubo, la of
quethe
setube,
convierte
a distancia
determined
by
measuring
the
of
angular
deflection
converting
determined by measuring the amount of angular deflection of the tube, converting this
this
flexionada
y se divide entre laand
longitud de medición,
L. Al reducirL.esto
a una expresión
sencilla
into
into aa distance
distance deflected,
deflected, and dividing
dividing by
by the
the gauge
gauge length
length L. Reducing
Reducing this
this to
to aa simple
simple
queda
expression,
expression,
Ra
Ra
gg ¼
¼ L
L
(3.17)
(3.17)
(3.17)
donde
α =¼
la deflexión
angular (radianes).
where
where a
a ¼ the
the angular
angular deflection
deflection (radians).
(radians).
En la
figura
3.13
se stress–strain
presenta una curva
común
de esfuerzo-deformación
cortante. En la the
reA
typical
shear
A typical shear stress–strain curve
curve is
is shown
shown in
in Figure
Figure 3.13.
3.13. In
In the
the elastic
elastic region,
region, the
gión
elástica, laisrelación
está
definida por
relationship
defined
by
relationship is defined by
t ¼ Gg
t ¼ Gg
(3.18)
(3.18)
(3.18)
2
where G ¼ the shear modulus, or shear modulus of elasticity, MPa (lb/in2). For most
where G ¼ the shear modulus, or shear modulus of elasticity, 2MPa (lb/in ). For most
donde
G = módulo
cortante,
o módulo
cortante, MPaby(lb/pulg
Para where
la mayoría
de the
los
materials,
the shear
modulus
can elástico
be approximated
G ¼ ).
0.4E,
E is
materials, the shear modulus can be approximated by G ¼ 0.4E, where E is the
materiales,
el
módulo
cortante
es
aproximadamente
de
G
=
0.4E,
donde
E
es
el
módulo
elástico
conventional elastic modulus.
conventional elastic modulus.
convencional.
Fractura
Resistencia
a la cortante
FIGURE 3.13 Typical shear stress–
FIGURE 3.13 Typical shear stress–
strain curve
torsionesfuerzotest.
FIGURA
3.13 from
Curvaa común
strain curve from a torsion test.
deformación
cortante a partirofdeModern
una prue(Credit: Fundamentals
(Credit:
Fundamentals
of Modern
baManufacturing,
de torsión. (Crédito:
of
4th
Edition by Mikell
th Fundamentals
Manufacturing,
4
Edition
byMikell
Mikell
Modern
Manufacturing,
4a. ed., de
P. Groover,
2010. Reprinted
with
Groover,
2010. Reprinted
with
P. P.
Groover,
2010.
autoripermission
of Reimpreso
John Wileycon
& Sons,
Inc.)
permission
John
& Sons, Inc.)
zación
de John of
Wiley
& Wiley
Sons, Inc.)
Esfuerzo cortante, τ
C03
C03
Región plástica
Punto de cedencia
Región elástica:
τ = Gγ
Deformación cortante γ
C03
08/16/2011
62
16:3:58
Page 62
3.2
Chapter 3/Properties of Engineering Materials
Dureza 61
En la
plástica
de la of
curva
cortante,
material strain
sujeto hardens
a deforInregión
the plastic
region
theesfuerzo-deformación
shear stress–strain curve,
theelmaterial
mación
se
endurece
y
ocasiona
que
el
par
aplicado
aumente
hasta
que,
finalmente,
ocurre
la
to cause the applied torque to continue to increase until fracture finally occurs.
fractura.
En
esta
región,
la
relación
es
similar
a
la
curva
de
flujo.
Es
posible
calcular
el
esfuerzo
The relationship in this region is similar to the flow curve. The shear stress at
cortante en la fractura, que se usa como la resistencia al corte, S, del material. La resistencia
fracture can be calculated and this is used as the shear strength S of the material.
al corte se puede estimar a partir de los datos de resistencia a la tensión, por medio de la aproxiShear strength can be estimated from tensile strength data by the approximation:
mación: S = 0.7(TS).
S ¼ 0.7(TS).
Como el área de la sección transversal del espécimen en la prueba de torsión no cambia,
Because the cross-sectional area of the test specimen in the torsion test does not
como sí lo hace en las pruebas de tensión y compresión, la curva de esfuerzo-deformación ingechange as it does in the tensile and compression tests, the engineering stress–strain
nieril para la cortante obtenida a partir de la prueba de torsión es virtualmente la misma que la
curve for shear derived from the torsion test is virtually the same as the true stress–
curva esfuerzo-deformación real.
strain curve.
En la industria son comunes los procesos cortantes. La acción cortante se utiliza para cortar
Shear processes are common in industry. Shearing action is used to cut sheet metal
láminas metálicas en operaciones de troquelado, punzonado y otras (véase la sección 14.1). Al
in blanking, punching, and other cutting operations (Section 14.1). In machining, the
maquinar, el material se retira por medio del mecanismo de deformación cortante (véase la secmaterial is removed by the mechanism of shear deformation (Section 15.2).
ción 15.2).
3.2 Dureza
HARDNESS
3.2
hardness
of a material
is como
defined
as its resistance
to permanent
indentation.
Good
LaThe
dureza
de un material
se define
su resistencia
a la indentación
permanente.
Por lo genehardness
generally
means
that
the
material
is
resistant
to
scratching
and
wear.
For
ral, una dureza buena significa que el material es resistente a las rayaduras y al uso. Ésta esmany
una
engineeringimportante
applications,
most of the
tooling used
in manufacturing,
scratch
característica
para including
muchas aplicaciones
de ingeniería,
incluyendo
la mayoría del
heand wear
resistance
are important
As the
shall hay
see una
later
in this
rramental
usado
en la manufactura.
Comocharacteristics.
se verá más adelante
en reader
esta sección,
estrecha
section, there
is dureza
a strong
correlación
entre la
y lacorrelation
resistencia.between hardness and strength.
3.2.1 HARDNESS
3.2.1
Pruebas deTESTS
dureza
testspruebas
are commonly
for assessing
materialdel
properties
because
are
EsHardness
común utilizar
de durezaused
para evaluar
las propiedades
material porque
sonthey
rápidas
quick and convenient.
However,
a variety
of testing
methods
are appropriate
because
of
y convenientes.
Sin embargo,
son varios
los métodos
de prueba
apropiados
debido a las
diferendifferences
in materiales
hardness among
materials.
The
best-known
hardness
tests are
cias
de dureza de
distintos.different
Las pruebas
de dureza
más
conocidas son
las de Brinell
y
Brinell and Rockwell.
Rockwell.
Prueba
deHardness
dureza Brinell
prueba
de Hardness
dureza Brinell
usa mucho
durezaand
de
Brinell
Test La
The
Brinell
Test se
is widely
usedpara
for medir
testinglametals
metales
y no metales
baja hardness.
a media. Recibe
nombre
en honor
del ingeniero
sueco who
que
nonmetals
of lowdetodureza
medium
It is su
named
after
the Swedish
engineer
la developed
creó alrededor
de 1 900.
En laInprueba,
se presiona
una esfera
de acero
endurecido
(o carburo
it around
1900.
the test,
a hardened
steel (or
cemented
carbide)
ball of
cementado)
de 10 mm
diámetro
la superficie
de un espécimen,
de 500,
10-mm diameter
is de
pressed
intocontra
the surface
of a specimen
using a con
loaduna
of carga
500, 1500,
or
1 500
3 000
kg.load
Después,
sedivided
divide lainto
carga
el área dearea
indentación
para
Número
3000o kg.
The
is then
theentre
indentation
to obtain
theobtener
BrinellelHardness
deNumber
Dureza Brinell
(BHN).
En formaform,
de ecuación se tiene
(BHN).
In equation
HB ¼
2F
�
(3.19)
qffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi� (3.19)
2
2
pDb Db � Db � Di
¼ diameter
where
¼ Brinell
Number
(BHN);
F ¼ indentation
load,
donde
HBHB
= Número
deHardness
Dureza Brinell
(BHN);
F = carga
de indentación,
kg;kg;
DbD
=b diámetro
de
of the
indentation
on mm.
the Estas
surface,
mm. These
the mm,
ball, ymm;
Di ¼dediameter
la of
esfera,
Di =and
diámetro
la indentación
sobre
la superficie,
dimensiones
se
2
2, pero
, las
but
dimensions
are indicated
Figure
3.14(a).
The
resulting
units
oflokg/mm
indican
en la figura
3.14a). Elin
BHN
resultante
tiene
unidades
de BHN
kg/mmhas
por
general
the units
are usually
omitted
in expressing
the number.
materials
(above
unidades
se omiten
cuando
se expresa
el número. Para
materialesFor
másharder
duros (por
arriba de
500
BHN)
se emplea
esfera de carburo
la de
deformación
500 BHN),
thelacemented
carbide cementado
ball is usedporque
because
theacero
steelexperimenta
ball experiences
elastic
elástica
que falsea
exactitud de la
Asimismo,
para materiales
más duros
común
deformation
thatlacompromises
thelectura.
accuracy
of the reading.
Also, higher
loads es
(1500
and
utilizar
cargas
mayores
(1
500
y
3
000
kg).
Debido
a
las
diferencias
en
los
resultados
según
las
3000 kg) are typically used for harder materials. Because of differences in results under
distintas
cargas,
al
hacer
reportes
de
las
lecturas
HB
se
considera
una
práctica
buena
indicar
cuál
different loads, it is considered good practice to indicate the load used in the test when
fuereporting
la que se HB
usó en
la prueba.
readings.
62 CAPÍTULO 3
Section 3.2/Hardness
Propiedades de los materiales de ingeniería
FIGURA 3.14 Métodos
de prueba de la dureza: a)
Brinell, b) Rockwell: 1)
carga inicial menor y 2)
carga grande, c) Vickers y
d) Knoop. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell
P. Groover, 2010. ReimpreFIGURE 3.14 Hardness
so con autorización de John
testing methods: (a)
Wiley & Sons, Inc.)
Brinell; (b) Rockwell: (1)
initial minor load and
(2) major load, (c) Vickers, and (d) Knoop.
(Credit: Fundamentals
of Modern Manufacturing, 4th Edition by Mikell
P. Groover, 2010.
Reprinted with permission of John Wiley &
Sons, Inc.)
Esfera de 10 mm
(indentador), de acero
o carburo cementado
F
Db
F (menor)
63
F (mayor)
Indentador
cónico
Forma de la
indentación
120°
d
Di
Espécimen
Posición inicial
Posición final
1)
2)
b) Rockwell
Di
a) Brinell
F
F
Indentador piramidal
Indentador
piramidal
136°
D
D
Forma de la
indentación
Forma de la
indentación
c) Vickers
d) Knoop
Rockwell Hardness Test
This is another widely used test, named after the metallurgist
Prueba
de dureza Rockwell
Ésta1920s.
es otraItprueba
que se usatomucho;
recibe
su nombre
en honor
who developed
it in the early
is convenient
use, and
several
enhancements
delover
metalurgista
la creó
a principios
de la década
1920. Esofconveniente
the yearsque
have
made
the test adaptable
to de
a variety
materials. de usar, y varias
mejoras In
quethe
se le
hicieron
a
lo
largo
de
los
años
la
adaptaron
a
una
variedad
de materiales. ball,
Rockwell Hardness Test, a cone-shaped indenter or small-diameter
En
la
Prueba
de
Dureza
Rockwell
se
presiona
un
indentador
cónico,
o
esferausing
de diámetro
with diameter ¼ 1.6 or 3.2 mm (1/16 or 1/8 in) is pressed into the specimen
a minor
pequeño,
de
1.6
mm
o
3.2
mm
(1/16
o
1/8
pulg),
contra
un
espécimen,
por
medio
de
una kg
carga
load of 10 kg, thus seating the indenter in the material. Then, a major load of 150
(or
pequeña
de
10
kg,
lo
que
asienta
el
indentador
en
el
material.
Después
se
aplica
una
carga
mayor
other value) is applied, causing the indenter to penetrate into the specimen a certain
dedistance
150 kg (ubeyond
otro valor),
lo que position.
hace que elThis
indentador
penetre
en el espécimen
cierta
profundidad
its initial
additional
penetration
distance
d is
converted
más
allá
de
su
posición
inicial.
La
máquina
de
prueba
convierte
esta
distancia
de
penetración,
into a Rockwell hardness reading by the testing machine. The sequence is depicted d,
in
enFigure
una lectura
de dureza
Rockwell.
la figura
3.14b) segeometry
ilustra la secuencia.
Las diferencias
en
3.14(b).
Differences
in En
load
and indenter
provide various
Rockwell
la scales
carga yfor
geometría
delmaterials.
indentadorThe
proporcionan
variasscales
escalasare
de indicated
Rockwell para
distintos
different
most common
in Table
3.5.materiales. En la tabla 3.5 se indican las escalas más comunes.
Vickers
Test Esta
This prueba,
test, also
developed
early 1920s,
uses a pyramidPrueba
de Hardness
dureza Vickers
también
creadaina the
principios
de la década
de 1920,
shaped
of diamond.
is based
on the principle
by
utiliza
un indenter
indentadormade
de forma
piramidalIthecho
de diamante.
Se basathat
en elimpressions
principio demade
que las
this indenter
are geometrically
similar
load. Accordingly,
of various
impresiones
dejadas
por él son similares
en regardless
cuanto a suof
geometría,
sin importarloads
la carga
que se
size are
the hardness
of theen
material
Vickers
emplee.
Deapplied,
acuerdodepending
con esto, seonaplican
varias cargas
funcióntodebelameasured.
dureza del The
material
por
hardness
value
(HV) is then
determined
formula
medir.
Después
se determina
la Dureza
Vickersfrom
(HV) the
por medio
de la fórmula
HV ¼
TABLE 3.5
Common Rockwell hardness scales.
Rockwell Scale
TABLA 3.5
Fuente: [8].
Hardness Symbol Indenter
Escalas de dureza Rockwell comunes
A
B
Escala Rockwell
C
A
B
Source: [8].
C
1:854 F
(3.20)
(3.20)
D2
HRA
Símbolo de
HRB
la dureza
HRC
HRA
HRB
HRC
Cone
1.6 mm ball
Indentador
Cone
Cono
Esfera de 1.6 mm
Cono
Load (kg) Typical Materials Tested
60
Carbides, ceramics
Materiales comunes
100
Nonferrous metals
Carga (kg)
probados
150
Ferrous metals,
60
Carburos,
tool
steelscerámicos
100
150
Metales no ferrosos
Metales ferrosos, acero
grado herramienta
C03
08/16/2011
64
16:3:58
Page 64
3.2
Chapter 3/Properties of Engineering Materials
Dureza 63
where
F ¼carga
applied
load, kg, and
the diagonal
the impression
made
by the indenter,
donde
F=
aplicada,
y DD
=¼diagonal
de la of
impresión
hecha por
el indentador,
mm,
mm,
as
indicated
in
Figure
3.14(c).
The
Vickers
test
can
be
used
for
all
metals
and has
one
como se indica en la figura 3.14c). La prueba de Vickers se utiliza para todos los metales
y tiene
ofde
the
amongentre
hardness
tests. de dureza.
una
laswidest
escalasscales
más amplias
las pruebas
La prueba Knoop, creada en 1939, usa un indentador de diamante
Hardnesspero
Test
The Knoop
test,razón
developed
in 1939,alrededor
uses a pyramid-shaped
deKnoop
forma piramidal,
la pirámide
tiene una
longitud-ancho
de 7:1, como se
diamond
but the
hasse
a length-to-width
ratio son
of about
7:1, asque
indicated
aprecia
en laindenter,
figura 3.14d),
y laspyramid
cargas que
aplican por lo general
más ligeras
las de
Figure
3.14(d),
applied
loads are generally
lighter than
inapropiada
the Vickers
test.
It is
la in
prueba
Vickers.
Esand
una the
prueba
de microdureza,
lo que significa
que es
para
medir
a microhardness
test,
meaningdethat
it is suitable
small, thin
or
especímenes
pequeños
y delgados
materiales
duros for
que measuring
podrían fracturarse
si sespecimens
aplicara una
hardpesada.
materials
that might
fracturefacilita
if a heavier
load
applied.con
The
shape
carga
La forma
del indentador
la lectura
dewere
la impresión
lasindenter
cargas más
lifacilitates
used
in this
test. The Knoop
geras
que se reading
empleanof
enthe
estaimpression
prueba. Elunder
valor the
de lalighter
durezaloads
Knoop
(HK)
se determina
con la
hardness value (HK) is determined according to the formula
fórmula
Prueba de dureza Knoop
HK ¼ 14:2
F
(3.21)
(3.21)
D2
donde
F =F carga,
kg, kg;
y D and
= diagonal
largalong
del indentador,
a quemm.
la impresión
where
¼ load,
D ¼ the
diagonal ofmm.
theDebido
indenter,
Becauseque
the
se impression
obtiene con made
esta prueba
es muy
debe tenerse care
cuidado
al be
preparar
in thispor
testloisgeneral
generally
verypequeña,
small, considerable
must
takenlain
superficie
porthe
medir.
preparing
surface to be measured.
3.2.2
Dureza de OF
distintos
materiales
3.2.2 HARDNESS
VARIOUS
MATERIALS
EnThis
esta sección
comparanthe
los hardness
valores de values
la dureza
algunos
materiales
comunes
lasthree
tres
section se
compares
ofdesome
common
materials
in de
the
clases
que
se
emplean
en
la
ingeniería:
metales,
cerámicos
y
polímeros.
engineering material classes: metals, ceramics, and polymers.
Metales Las pruebas de dureza Brinell y Rockwell se crearon en una época en que los metales
eran
los materiales
principales
la ingeniería.
Se ha recabado
una cantidad
significativa
de datos
Metals
The Brinell
anddeRockwell
Hardness
Tests were
developed
at a time
when
con
el
empleo
de
dichas
pruebas
en
los
metales.
La
tabla
3.6
lista
los
valores
de
la
dureza
de
metals were the principal engineering materials. A significant amount of data has
metales
seleccionados.
been collected using these tests on metals. Table 3.6 lists hardness values for selected
Para la mayoría de metales, la dureza tiene una estrecha relación con la resistencia. Debido
metals.
a que el método
de metals,
prueba de
la durezaispor
lo general
se basa
en la resistencia
For most
hardness
closely
related
to strength.
Becausea la
theindentación,
method of
la testing
cual a su
vez
es
una
forma
de
compresión,
sería
de
esperar
una
correlación
buena
for hardness is usually based on resistance to indentation, which is aentre
formlasof
propiedades de dureza y resistencia determinadas con una prueba de compresión. Sin embargo,
TABLE 3.6
TABLA 3.6
Typical hardness of selected metals.
Dureza común de metales seleccionados
Metal
Metal
Aluminum,
annealed
Aluminio
recocido
Aluminum,
cold
worked
Aluminio, trabajado en
frío
b
Aluminum
alloys, annealed
Aleaciones
de aluminio,
recocidasbb
Aluminum
alloys, hardened
Aleaciones
de aluminio,
endurecidasb
b
Aluminum
alloys,
cast
Aleaciones de aluminio, coladasb
bb
Castgris,
iron,como
gray,fundición
as cast
Hierro
Copper,
annealed
Cobre,
recocido
Copperdealloy:
Aleación
cobre:brass,
latón, annealed
recocido
Plomo
Lead
Brinell
Hardness,
Dureza
HB
Brinell, HB
20
20
35
35
40
40
90
90
80
80
175
175
45
45
100
100
44
Compiled from [11], [12], [17], and other sources.
a
Rockwell
Dureza
Hardness,
Rockwell,
HRaa
Metal
HR
Metal
52B
52B
44B
44B
10C
10C
b
Magnesium
alloys, hardened
Aleaciones
de magnesio,
endurecidas
Nickel,
annealed
Níquel,
recocido
b
Steel,
low
hot rolled
b
Acero
bajo
C, C,
laminado
en caliente
b
Steel,
high
C, hot rolled
Acero,
alto
C, laminado
en calienteb
b
Steel,
alloy, annealed
Acero,
aleación,
recocidob
b
Steel,
alloy, heat-treated
Acero,
aleación,
con tratamiento
b
Steel,
austeniticb
térmicostainless,
Titanium,
nearly
pure b
Acero,
inoxidable,
austenítico
Titanio,
Zinc casi puro
60B
60B
Zinc
Brinell
Hardness,
Dureza
HB
Rockwell
Dureza
Hardness,
Rockwell,
HRaa
7070
7575
100
100
200
200
175
175
300
150
300
200
150
200
30
35B
35B
40B
40B
60B
60B
95B,
95B, 15C
15C
90B,
90B, 10C
10C
33C
85B
33C
95B
85B
Brinell, HB
HR
95B
30
HR values
given in the
or C[17],
scale
asotras
indicated
Recopilado
de are
las referencias
[11],B[12],
y de
fuentes.by the letter designation. Missing values indicate that the hardness is too low for
a Rockwell
Los valoresscales.
HR están dados en la escala B o C, como lo indica la letra que los designa. Donde no hay valores significa que la dureza es demasiado baja
b
HBlasvalues
are typical. Hardness values will vary according to composition, heat treatment, and degree of work hardening.
para
escalasgiven
de Rockwell.
b Los valores HB dados son comunes. Los valores de dureza variarán de acuerdo con la composición, el tratamiento térmico y el grado de endurecimiento
por trabajo.
64 CAPÍTULO 3
TABLA 3.7
Propiedades de los materiales de ingeniería
Dureza de cerámicos seleccionados y otros materiales duros, listados en orden ascendente de dureza
Material
Dureza
Vickers,
HV
Dureza
Knoop,
HK
800
2 000
2 200
2 600
2 600
850
1 400
1 500
1 900
1 900
Acero endurecido grado herramientasa
Carburo cementado (WC-Co)a
Alúmina, Al2O3
Carburo de tungsteno, WC
Carburo de silicio, SiC
Material
Dureza
Vickers,
HV
Dureza
Knoop,
HK
Nitruro de titanio, TiN
Carburo de titanio, TiC
Nitruro de boro cúbico, BN
Diamante, policristalino sintetizado
Diamante, natural
3 000
3 200
6 000
7 000
10 000
2 300
2 500
4 000
5 000
8 000
Recopilado de las referencias [15], [17], y de otras fuentes.
a El acero endurecido grado herramientas y el carburo cementado son los dos materiales que comúnmente se usan en la prueba de dureza Brinell.
las propiedades de resistencia en una prueba de compresión son casi las mismas que las de una
prueba de tensión, con tolerancia para cambios del área de la sección transversal de los especímenes de prueba respectivos; entonces, la correlación con propiedades a la tensión también debe
ser buena.
La prueba de dureza Brinell (HB) presenta una correlación estrecha con la resistencia definitiva a la tensión TS de los aceros, lo cual conduce a la relación [10], [16]:
TS = Kh (H B)(3.22)
donde Kh es una constante de proporcionalidad. Si TS se expresa en MPa, entonces Kh = 3.45; y
si TS está en lb/pulg2, entonces Kh = 500.
Cerámicos La prueba de dureza Brinell no es apropiada para los cerámicos debido a que los
materiales de prueba con frecuencia son más duros que la bola indentadora. Para probarlos se
utilizan las pruebas Vickers y Knoop. En la tabla 3.7 se listan los valores de dureza de varios
cerámicos y materiales duros. Para efectos de comparación, la dureza Rockwell C del acero endurecido grado herramientas es 65 HRC. La escala HRC no se extiende lo suficiente hacia arriba
como para usarla en los materiales más duros.
Polímeros De los tres tipos de materiales de ingeniería, los polímeros son los que tienen la
dureza más baja. En la tabla 3.8 se listan varios de los polímeros en la escala de dureza Brinell,
aunque este método de prueba normalmente no se usa para estos materiales. Sin embargo, permite la comparación con la dureza de los metales.
3.3
Efecto de la temperatura sobre las propiedades mecánicas
La temperatura tiene un efecto significativo sobre las propiedades mecánicas de un material.
Para el diseñador es importante conocer las propiedades del material a las temperaturas de ope-
TABLA 3.8
Dureza de polímeros seleccionados
Polímero
Nylon
Fenol formaldehído
Polietileno, de baja densidad
Polietileno, de alta densidad
Dureza
Brinell, HB
12
50
2
4
Recopilado de las referencias [5], [8], y de otras fuentes.
Polímero
Polipropileno
Poliestireno
Cloruro de polivinilo
Dureza
Brinell, HB
7
20
10
3.3
Efecto de la temperatura sobre las propiedades mecánicas 65
ración del producto cuando está en uso. También es importante saber cómo afecta la temperatura
las propiedades mecánicas en la manufactura. A temperaturas elevadas, los materiales resisten
menos y aumenta su ductilidad. En la figura 3.15 se presentan las relaciones generales de los
metales. Así, la mayoría de los metales pueden trabajarse con menores fuerzas y menos potencia
a temperaturas elevadas que cuando están fríos.
Dureza en caliente Una propiedad que es frecuente utilizar para caracterizar la resistencia y la
dureza a temperaturas elevadas es la dureza en calentamiento. La dureza en caliente es tan sólo
la capacidad que tiene un material para mantener su dureza a temperaturas elevadas; por lo general se presenta ya sea como una lista de valores de dureza a temperaturas distintas, o como una
gráfica de la dureza versus la temperatura, como se ilustra en la figura 3.16. Pueden hacerse
aleaciones de acero para lograr mejoras significativas de la dureza en caliente, como se aprecia
en la figura 3.16. Los cerámicos muestran propiedades superiores a temperaturas elevadas. Es
frecuente que estos materiales se seleccionen para aplicaciones a temperaturas altas, como las
piezas de una turbina, herramientas de corte y usos refractarios. La superficie exterior de un trasbordador espacial está recubierta con bloques de cerámico para que soporte mejor el calor por la
fricción de la reentrada a la atmósfera a altas velocidades.
También es deseable que haya buena dureza en caliente en los materiales para las herramientas que se usan en muchas operaciones de manufactura. En la mayoría de los procesos para tra-
FIGURA 3.15 Efecto general de la temperatura sobre la resistencia y ductilidad. (Crédito:
Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a.
ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con
autorización de John Wiley & Sons, Inc.)
Resistencia y ductilidad
Resistencia
a la tensión
Re
s
a la isten
ced cia
enc
ia
Ductilidad
(% de elongación)
0
Temperatura
Cerámico
Dureza
Acero de
alta aleación
FIGURA 3.16 Dureza en caliente (dureza
común como una función de la temperatura para
varios materiales). (Crédito: Fundamentals of
Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P.
Groover, 2010. Reimpreso con autorización de
John Wiley & Sons, Inc.)
Acero
al bajo C
(HT)
0
Acero
al alto C
(HT)
250
Temperatura, °C
500
Section 3.4/Fluid Properties
66 CAPÍTULO 3
67
lined with ceramic tiles to withstand the friction heat of high-speed reentry into the
atmosphere.
Propiedades de los materiales de ingeniería
Good hot hardness is also desirable in the tooling materials used in many manufacturing operations. Significant amounts of heat energy are generated in most metalworking
the tools
must be capable
thedeben
high ser
temperatures
bajar
metal processes,
se generan and
cantidades
significativas
de calor,ofy withstanding
las herramientas
capaces de
soportar
las elevadas temperaturas que se producen.
involved.
Recristalización A temperatura ambiente, la mayoría de los metales se comporta de acuerdo
Recrystallization Most metals behave at room temperature according to the flow
con la curva de flujo en la región plástica. Conforme el metal se deforma, incrementa su resistencurve in the plastic region. As the metal is strained, it increases in strength due to strain
cia debido al endurecimiento por deformación (el exponente de deformación por endurecimiento
hardening (strain-hardening exponent n > 0). However, if the metal is heated to a
n > 0). Sin embargo, si el metal se calienta a temperatura suficientemente elevada y se deforma,
sufficiently elevated temperature and then deformed, strain hardening does not occur.
el endurecimiento por deformación no tiene lugar. En vez de ello, se forman granos nuevos libres
Instead, new grains are formed that are free of strain, and the metal behaves as a perfectly
de deformación y el metal se comporta como un material perfectamente plástico, es decir, con un
plastic material; that is, with a strain-hardening exponent n ¼ 0. The formation of new
exponente de formación por endurecimiento n = 0. La formación de granos nuevos libres de
strain-free grains is a process called recrystallization, and the temperature at which it
deformación es un proceso denominado recristalización, y la temperatura a la que sucede es de
as escala
measured
on an
absolute
scale
occurs isdeabout
one-half
thedemelting
point
Tm), en
alrededor
la mitad
del punto
fusión (0.5
Tm(0.5
), medida
absoluta
(grados
R o K),
y
(R orelK).
Thisde
is temperatura
called the recrystallization
temperature.
Recrystallization
takes time.
recibe
nombre
de recristalización.
La recristalización
requiere de tiempo.
Por
recrystallization
temperature
a particular
is usually
specified
as the
loThe
general,
para un metal en
particular sefor
especifica
como lametal
temperatura
a la que
se completa
la
temperature
at
which
complete
formation
of
new
grains
requires
about
1
hour.
formación de granos nuevos, y por lo regular tarda aproximadamente una hora.
Recrystallization
is acaracterística
temperature-dependent
characteristic
metals thatycan
be
La recristalización
es una
de los metales que
depende de of
la temperatura
puede
exploited
in
manufacturing.
By
heating
the
metal
to
the
recrystallization
temperature
aprovecharse en la manufactura. Al calentar el metal a la temperatura de recristalización antes
deformation,
the amount
of straining
the metal
endure
is substantially
debefore
la deformación,
la cantidad
de deformación
quethat
el metal
puede can
soportar
es sustancialmente
increased,
and
the
forces
and
power
required
to
carry
out
the
process
are
significantly
mayor, y las fuerzas y la potencia requeridas para llevar a cabo el proceso se reducen
mucho. El
reduced.
Forming
metals
at
temperatures
above
the
recrystallization
temperature
conformado de metales a temperaturas por arriba de la de recristalización se denomina trabajois
hot(véase
working
(Section
12.3).
encalled
caliente
la sección
12.3).
3.4
3.4
C03
08/16/2011
FLUID PROPERTIES
Propiedades de los fluidos
16:3:58
Fluids behave quite differently than solids. A fluid flows; it takes the shape of the
Los
fluidos se
comportan
muy diferente
los sólidos.a Un
fluido fluye,
decir,is
container
that
holds it.deAmanera
solid does
not flow;que
it possesses
geometric
formesthat
adopta
la
forma
del
envase
que
lo
contiene.
Un
sólido
no
fluye;
tiene
una
forma
geométrica
que
es
independent of its surroundings. Fluids include liquids and gases; the interest in this
independiente
del
medio.
Los
fluidos
incluyen
a
los
líquidos
y
gases;
en
esta
sección,
el
interés
section is on the former. Many manufacturing processes are accomplished on materials
esthat
parahave
los primeros.
Muchos procesos
de manufactura
se ejecutan
en materiales
been converted
from solid
to liquid state
by heating.
Metals que
are han
castpasado
in the
Page 68
del
estado
sólido
al
líquido
a
través
de
calentamiento.
Los
metales
son
líquidos
en
el
estado
de
molten state; glass is formed in a heated and highly fluid state; and polymers are
almost
fusión;
el
vidrio
se
forma
en
un
estado
caliente
y
muy
fluido;
y
a
los
polímeros
casi
siempre
se
always shaped as thick fluids.
les moldea como fluidos espesos.
Viscosity Aunque
Although
flow is
defining
characteristic
of fluids,
tendency
to flow avaries
Viscosidad
el flujo
esauna
característica
que define
a los the
fluidos,
la tendencia
fluir
for different
fluids.
is the
that
fluidun
flow.
Roughly,
varía
de uno a otro.
LaViscosity
viscosidad
es laproperty
propiedad
quedetermines
determina que
fluido
fluya. Aviscosity
grandes
canEngineering
beladefined
as the
resistance
that isalcharacteristic
of a fluid. It de
is aunmeasure
of
viscosidad
se define
comoto
la flow
resistencia
flujo que es característica
fluido. Es
68
Chapter 3/Propertiesrasgos,
of
Materials
themedida
internal
that
arisesque
when
velocity
gradients
are present
in thedefluid—the
una
de friction
la fricción
interna
aparece
cuando
hay presentes
gradientes
velocidad more
en el
viscous the fluid is, the higher the internal friction and the greater the resistance to flow.
FIGURE 3.17 Fluid flow fluido; entre más viscoso es el fluido, mayor es la fricción interna y mayor la resistencia al flujo.
The
reciprocal
of viscosity
fluidity—the
with which
a fluid
flows.
El
inverso
de la viscosidad
es laisfluidez,
es decir, ease
la facilidad
con que
el fluido
fluye.
between two parallel
Viscosity
is
defined
more
precisely
with
respect
to
the
setup
in
Figure
3.17,
in which
Con
más
precisión,
la
viscosidad
se
define
respecto
a
un
arreglo
como
el
que
se
ilustra
en la
plates, one stationary
two
parallel
plates
are
separated
by
a
distance
d.
One
of
the
plates
is
stationary,
while
the
figura
3.17,
en
el
que
dos
placas
paralelas
están
separadas
por
una
distancia
d.
Una
de
ellas
está
and the other moving at
other
is moving
a velocity
v, and
the space
theentre
plates
is occupied
by apor
fluid.
fija,
mientras
que laatotra
se mueve
a velocidad
v, ybetween
el espacio
ellas
está ocupado
un
velocity v. (Credit:
Orienting
these estos
parameters
relative
to an axis
d is in
directiond and
fluido.
Al orientar
parámetros
en relación
consystem,
un sistema
dethe
ejesy-axis
coordenados,
está venis
Fundamentals of
the x-axis
motiondelofeje
thex.upper
plate is resisted
by superior
force F that
results
dirección
del direction.
eje y y v enThe
dirección
Al movimiento
de la placa
se opone
la
Modern Manufacturing, lain
fromFthe
viscous
fluid. This
forcedel
canfluido.
be reduced
to a shear
stress
by
fuerza
queshear
resulta
de la action
acción of
de the
viscosidad
cortante
Esta fuerza
se reduce
a un
4th Edition by Mikell P.
dividing
F by the
A: la superficie de la placa A:
cortante
si seplate
dividearea
F entre
Groover, 2010. Reprinted esfuerzo
with permission of John
Wiley & Sons, Inc.)
t¼
F
A
(3.23)
(3.23)
2 2
2
2). Este
where
t¼
shear stress,
N/m
or Pa
). This
shear
stresscortante
is related
the ratecon
of la
shear,
donde
τ=
esfuerzo
cortante,
N/m
o Pa(lb/in
(lb/pulg
esfuerzo
se to
relaciona
tasa
which is
defined
as como
the change
in velocity
dv relative
to dy.aThat
cortante,
que
se define
el cambio
de la velocidad
dv respecto
dy. Esis,decir,
g_ ¼
dv
dy
(3.24)
(3.24)
where g_ ¼ shear rate, 1/s; dv ¼ incremental change in velocity, m/s (in/sec); and dy ¼
incremental change in distance y, m (in). The shear viscosity is the fluid property that
defines the relationship between F/A and dv/dy; that is,
F
dv
68
68
68
Chapter
Chapter 3/Properties
3/Properties of
of Engineering
Engineering Materials
Materials
Chapter 3/Properties of Engineering Materials
FIGURE
FIGURE 3.17
3.17 Fluid
Fluid flow
flow
between
two
FIGURE
Fluid flow
between3.17
two parallel
parallel
plates,
stationary
between
two
parallel
plates, one
one
stationary
and
other
moving
plates,
stationary
and the
theone
other
moving at
at
velocity
v.
and
the other
moving at
velocity
v. (Credit:
(Credit:
Fundamentals
of
velocity
v. (Credit:
Fundamentals
of fluido
FIGURA
3.17 El
Modern
Manufacturing,
Fundamentals
of
Modern
Manufacturing,
fluye
th entre dos placas para4
by
Modern
4th Edition
Edition
by Mikell
Mikell
P.y
lelas,
una Manufacturing,
permanece
fijaP.
th
Groover,
2010.
4Groover,
Edition
by Mikell
P.
2010.
Reprinted
Placa
la
otra
se mueve
a Reprinted
una velowith
of
Groover,
2010. FundaReprinted
with permission
permission
of John
John
móvil
cidad
v.
(Crédito:
y
Wiley
&
Inc.)
with
of
John
Wileypermission
&ofSons,
Sons,
Inc.)
mentals
Modern
ManuWiley
&
Sons,
Inc.)
Fluido
facturing, 4a. ed., de Mikell
P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John
Wiley & Sons, Inc.)
3.4
Propiedades de los fluidos 67
v
Vectores de
d
velocidad
2
2
flujo
where
This
shear
where tt ¼
¼ shear
shear stress,
stress, N/m
N/m2or
or Pa
Pa (lb/in
(lb/in2).
). del
This
shear stress
stress is
is related
related to
to the
the rate
rate of
of shear,
shear,
2 dv
2
where
t
¼
shear
stress,
N/m
or
Pa
(lb/in
).
This
shear
stress
is
related
to
the
rate
of
shear,
which
is
defined
as
the
change
in
velocity
dv
relative
to
dy.
That
is,
which
is
defined
as
the
change
in
velocity
dv
relative
to
dy.
That
is,
Placa
x
which
is defined as the change in velocity dv relative to dy. That is,
fija
dy
dv
dv
gg__ ¼
(3.24)
¼ dv
(3.24)
dy
g_ ¼ dy
(3.24)
dy
. g__ ¼ shear rate,
where
dv
¼
incremental
change
m/s
(in/sec);
and
dy
¼
where
g¼
shear
rate, 1/s;
1/s; dv
dv =
¼ cambio
incremental
changedein
inlavelocity,
velocity,
m/s
(in/sec);
and
dy=
¼
donde
γ=
tasa
cortante,
incremental
velocidad,
m/s
(pulg/s),
y dy
where
g_ ¼ shear
rate,
1/s;
dv ¼y,y,
incremental
change
velocity,
m/s
(in/sec);
and
dy
¼
incremental
change
distance
(in).
The
shear
viscosity
is
fluid
property
that
incremental
change
indistancia
distance
y,
m
(in). La
The
shear in
viscosity
isesthe
the
fluid
property
that
cambio
incremental
de
lain
mm
(pulg).
viscosidad
cortante
la propiedad
del fluido
incremental
changeentre
in distance
y,F/A
mes(in).
shear
is the fluid property that
defines
relationship
between
and
dv/dy;
that
is,
defines
the
relationship
between
F/A
and The
dv/dy;
thatviscosity
is,
que
definethe
la relación
F/A
y dv/dy;
decir,
defines the relationship between F/A and dv/dy; that is,
FF
dv
dv
(3.25)
¼
o tt ¼
¼ hh dv or
or
¼ hhgg__ (3.25)
(3.25)
F
A
A ¼ h dy
dy or t ¼ hg_
(3.25)
A
dy
donde
η hh=¼
constanteof
proporcionalidad
llamada
coeficiente of
de
viscosidad,Pa-s
Pa-s(lb-sec/
(lb-s/
where
aa constant
called
the
where
¼una
constant
ofdeproportionality
proportionality
called
the coefficient
coefficient
of viscosity,
viscosity,
Pa-s
(lb-sec/
2
pulg
). Rearranging
Si
ecuación
el called
coeficiente
de viscosidad
puede
expresarse
como
where
hse¼reacomoda
a constant
proportionality
coefficient
ofexpressed
viscosity,
Pa-s
(lb-sec/
Eq.
(3.25),
the
coefficient
of
viscosity
can
as
in
).
Rearranging
Eq.laof
(3.25),
the(3.25),
coefficient
of the
viscosity
can be
be
expressed
as follows:
follows:
in22).
sigue:
in2). Rearranging Eq. (3.25), the coefficient of viscosity can be expressed as follows:
tt
hh ¼
(3.26)
¼t
(3.26)
g_
h ¼ g_
(3.26)
(3.26)
g_
Thus,
Thus, the
the viscosity
viscosity of
of aa fluid
fluid can
can be
be defined
defined as
as the
the ratio
ratio of
of shear
shear stress
stress to
to shear
shear rate
rate
Thus,
the
viscosity
of
a
fluid
can
be
defined
as
the
ratio
of
shear
stress
to
shear
rate
during
flow,
where
shear
stress
is
the
frictional
force
exerted
by
the
fluid
per
unit
area,
during
flow,
where
shear
stress
is
the
frictional
force
exerted
by
the
fluid
per
unit
area,
Así, la viscosidad de un fluido se define como la razón del esfuerzo cortante a la tasa cortanduring
flow,
where
shear
stressgradient
is cortante
the frictional
force por
exerted
by the
fluid
per
unit
area,
shear
is
the
velocity
perpendicular
to
flow
direction.
The
viscous
and
shear
rate
isdonde
the
velocity
gradient
perpendicular
to the
the
flow
direction.
The
viscous
teand
durante
el rate
flujo,
el esfuerzo
es la fuerza
fricción
que
el fluido
ejerce
por
and
shear
rate
is
the
velocity
gradient
perpendicular
to
the
flow
direction.
The
viscous
characteristics
of
fluids
defined
by
Eq.
(3.26)
were
first
stated
by
Newton.
He
observed
characteristics
of
fluids
defined
by
Eq.
(3.26)
were
first
stated
by
Newton.
He
observed
unidad de área, y la tasa cortante es el gradiente de velocidad perpendicular a la dirección de
characteristics
of
fluids
defined
by Eq.
(3.26)
were
first
stated
Newton.
He observed
that
viscosity
aa constant
property
aa given
fluid,
and
such
aa fluid
is
referred
to
thatNewton
viscosity
was
constant
property
of
given
fluid,
and
suchby
fluid
isfluidos
referred
to as
as aa
flujo.
fuewas
quien
enunció
primero
lasof
características
de
viscosidad
de los
definidas
that
viscosity
was
a
constant
property
of
a
given
fluid,
and
such
a
fluid
is
referred
to
as
Newtonian
fluid.
Some
typical
values
of
coefficient
of
viscosity
for
various
fluids
are
given
Newtonian
fluid.
Some
typical
values
of
coefficient
of
viscosity
for
various
fluids
are
given
por la ecuación (3.26). Él observó que la viscosidad era una propiedad constante de un fluidoa
Newtonian
typical
values
of
coefficient
of viscosity
for
various
fluids
are given
in
3.9.
One
can
observe
in
of
listed
that
viscosity
varies
with
in Table
Table
3.9.fluid.
One
cantipo
observe
in several
several
of the
the materials
materials
listed
that
viscosity
varies
with
dado,
y un fluido
de Some
ese
se denomina
fluido
newtoniano.
En
la tabla
3.9
se dan
algunos
vain
Table
3.9.
One
can
observe
in
several
of
the
materials
listed
that
viscosity
varies
with
temperature.
temperature.
lores comunes del coeficiente de viscosidad para distintos fluidos. Se observa que la viscosidad
detemperature.
varios materiales mencionados varía con la temperatura.
Viscosity
for
Viscosidad
en losfluids.
procesos de manufactura Para muchos metales, la viscosidad en el estado
Viscosity values
values
for selected
selected
fluids.
Viscosity values
for selected
fluids.
fundido
se compara
a la del agua a temperatura ambiente. Ciertos procesos de manufactura, en
Coefficient
of
Coefficient
of Viscosity
Coefficient
of Viscosity
Viscosity
Coefficient
Viscosity
especial
la fundición
y soldadura autógena, se llevan a cabo sobre metales
en estadooffundido,
y el
Coefficient of Viscosity
Coefficient
of
Viscosity
22
22
Material
Pa-s
lb-sec/in
Material
Pa-s
lb-sec/in
Material
Pa-s
lb-sec/in
Material
Pa-s
lb-sec/in
2
2
Material
Pa-s
lb-sec/in
Material
Pa-s
lb-sec/in
bb
12
88
�4
��
��
12
Glass
10
10
Pancake
50
73
Glass ,, 540
540 C
C (1000
(1000 F)
F)
10
10
Pancake syrup
syrup (room
(room temp)
temp)
50
73 �
� 10
10�4
bb
5
aa
12
8
�4
��
��
��
��
5
Glass
10
14
Polymer
,, 151
F)
115
167
540
(1000
10
Pancake
(room
50
73 �
Glass ,, 815
815 C
C (1500
(1500 F)
F)
10
14
Polymer syrup
151 C
C (300
(300 temp)
F)
115
167
� 10
10�4
TABLA
de
bb3.9 �Valores
aa
�4
53 de diferentes fluidos
��
��la viscosidad3
��
��
�
Glass
(2000
F)
10
0.14
Polymer
55
80
815
14
151
(300
115
167
Glass ,, 1095
1095CC
C(1500
(2000F)
F)
10
0.14
Polymer ,, 205
205 C
C (400
(400 F)
F)
55
80 �
� 10
10�4
bb
�4
aa
�4
3
��
��
��
��
�4
Glass
,
1370
C
(2500
F)
15
22
�
10
Polymer
,
260
C
(500
F)
28
41
�
10
10
0.14
55
80
Glass , 1095
1370 C (2000
(2500 F)
15
22
� 10
Polymer , 205
260 C (400
(500 F)
28
41 � 10�4
Coeficiente
de viscosidad
Coeficiente
de viscosidad
�6
�6
b
�4
a
�4
��
�� �
�
�
� �F) �
Mercury,
20
0.0016
0.23
Water,
C
0.001
0.15
Glass
, 1370
(2500
15
22 �
Polymer
C (500
28
41 �
Mercury,
20 C
C (70
(70 F)
F)F)
0.0016
0.23
� 10
10�6
Water, 20
20, �260
C (70
(70
F) F)
0.001
0.15
� 10
10�6
Material
Pa-s
lb-s/pulg2 �4
Material � ��
Pa-s
lb-s/pulg2�6
�6
��
�4
�
�
�
Machine
0.1
0.14
Water,
(212
0.0003
0.04
Mercury,
20 (room
C (70 temp.)
F)
0.0016
0.23
20
F)F)
0.001
0.15
Machine oil
oil
(room
temp.)
0.1
0.14 �
� 10
10
Water, 100
100CC
C(70
(212
F)
0.0003
0.04 �
� 10
10�6
�4
b
12
8
�
�
−4�6
10 0.1
10 � 10
50 0.0003
Vidrio
, 540oil
°C (room
(1 000 °F)
Jarabe
73 �1010
Machine
temp.)
0.14
Water,para
100hotCcakes
(212 (tempeF)
0.04
Compiled
from various
sources.
TABLE
TABLE 3.9
3.9
TABLE 3.9
Compiled
from various sources.
Vidriob, 815 °C (1 500 °F)
ratura ambiente)
105
14
polyethylene
is
have
Low-density
is used
used as
as3 the
the polymer
polymer example
example here;
here; most
most other
other polymers
have slightly
slightly higher
higher viscosities.
viscosities.
Compiled
from
various sources.
b, 1 095polyethylene
apolymers
115
Polímero
Vidrio
0.14
°C
(2
000
°F)
, 151 °C (300
°F)
b
167 × 10−4
abGlass composition is mostly SiO 10
;
compositions
and
viscosities
vary;
values
representative.
Glass bcomposition
is mostly
SiO22;ascompositions
viscosities
vary;
given are
are have
representative.
Low-density
polyethylene
is used
the polymerand
example
here;
most values
other given
polymers
slightly higher viscosities.
−4
a
55
22
×
10
Vidrio
Polímero
,
1
370
°C
(2
500
°F)
15
,
205
°C
(400
°F)
80 × 10−4
b
Glass composition is mostly SiO2; compositions and viscosities
vary; values given
are representative.
−6
a
−4
aa
Low-density
Mercurio 20 °C (70 °F)
Aceite para máquinas (temperatura ambiente)
0.0016
0.1
0.23 × 10
0.14 × 10−4
Polímero , 260 °C (500 °F)
Agua, 20 °C (70 °F)
Agua, 100 °C (212 °F)
28
0.001
0.0003
41 × 10
0.15 × 10−6
0.04 × 10−6
Recopilado de varias fuentes.
a El polietileno de baja densidad se utiliza aquí como ejemplo de polímero; la mayoría de otros polímeros tienen viscosidades ligeramente mayores.
b La composición del vidrio es sobre todo SiO ; las composiciones y viscosidades varían; los valores dados son representativos.
2
68 CAPÍTULO 3
Propiedades de los materiales de ingeniería
éxito de esas operaciones requiere viscosidad baja para que el metal fundido llene la cavidad del
molde o suelde la costura antes de solidificarse. En otras operaciones, como el conformado y
maquinado de metales, se emplean lubricantes y enfriadores durante el proceso, y, de nuevo, el
éxito de esos fluidos depende hasta cierto punto de sus viscosidades.
Los cerámicos vidriados muestran una transición gradual de los estados sólidos a los líquidos conforme la temperatura aumenta; no se funden en forma súbita, como sí lo hacen los metales. En la tabla 3.9 se ilustra ese efecto por medio de los valores de la viscosidad del vidrio a
temperaturas diferentes. A temperatura ambiente, el vidrio es sólido y frágil, no presenta tendencia a fluir; para todo propósito práctico, su viscosidad es infinita. Conforme se calienta, el vidrio
se suaviza en forma gradual, y se hace cada vez menos viscoso (más y más fluido), hasta que al
final puede dársele forma por medio del soplado o moldeo, a alrededor de 1 100 °C (2 000 °F).
La mayoría de procesos para dar forma a los polímeros se realizan a temperaturas elevadas,
cuando el material está en una condición líquida o muy plástica. Los polímeros termoplásticos
representan el caso más claro, y constituyen también la mayoría de polímeros comunes. A temperaturas bajas, los polímeros termoplásticos son sólidos; conforme la temperatura aumenta, lo
normal es que primero se transformen en un material suave parecido al hule, y después en un
fluido espeso. Al continuar elevándose la temperatura, la viscosidad disminuye en forma gradual,
como se indica en la tabla 3.9 para el polietileno, el polímero termoplástico de uso más extendido. Sin embargo, con los polímeros la relación se complica por otros factores. Por ejemplo, la
viscosidad se ve afectada por la velocidad de flujo. La viscosidad de un polímero termoplástico
no es constante. Un polímero fundido no se comporta como un fluido newtoniano. En la figura
3.18 puede verse su relación entre el esfuerzo cortante y la tasa cortante. Un fluido que presente
esta viscosidad decreciente con tasa cortante en aumento se llama seudoplástico. Este comportamiento complica el análisis del moldeo del polímero.
Comportamiento viscoelástico de los polímeros
Otra propiedad característica de los polímeros es la viscoelasticidad. La viscoelasticidad es aquella propiedad que tiene un material que determina la deformación que experimenta cuando se le
sujeta a combinaciones de esfuerzo y temperatura a lo largo del tiempo. Como el nombre lo sugiere, es una combinación de viscosidad y elasticidad. La viscoelasticidad puede explicarse con
referencia a la figura 3.19. Los dos incisos de la figura muestran la respuesta común de dos materiales ante un esfuerzo aplicado por debajo del punto de cedencia durante cierto periodo. En el
Plástico sólido
Fluido seudoplástico
Esfuerzo de cedencia
FIGURA 3.18 Comportamientos viscosos de fluidos newtonianos y seudoplásticos. Al fundirse,
los polímeros presentan un comportamiento seudoplástico. A
manera de comparación, se muestra el comportamiento de un
material sólido plástico. (Crédito:
Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P.
Groover, 2010. Reimpreso con
autorización de John Wiley &
Sons, Inc.)
Esfuerzo cortante, τ
3.5
Fluido newtoniano
∙
Tasa cortante, γ
Chapter 3/Properties of Engineering Materials
Comportamiento viscoelástico de los polímeros 69
Esfuerzo
Esfuerzo
3.5
Tiempo
Deformación
Tiempo
Deformación
70
FIGURE 3.19 Comparison of elastic and viscoelastic properties: (a) perfectly elastic
response of material to stress applied over time; and (b) response of a viscoelastic
Tiemposame conditions. The materialTiempo
material under
in (b) takes a strain that is a function of
a)
time and temperature.
(Credit: Fundamentals ofb)Modern Manufacturing, 4th Edition by
Mikell P. Groover, 2010. Reprinted with permission of John Wiley & Sons, Inc.)
FIGURA 3.19 Comparación de propiedades elásticas y viscoelásticas: a) respuesta de un material perfectamente elástico ante un esfuerzo aplicado a lo largo del tiempo, y b) respuesta de un material viscoelástico en las mismas condiciones. En el inciso b), el material presenta una deformación que es una
función del tiempo y la temperatura. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell
combinations
of stress
temperature
over &
time.
P. Groover,
2010. Reimpreso
conand
autorización
de John Wiley
Sons, As
Inc.)the name suggests, it is a
combination of viscosity and elasticity. Viscoelasticity can be explained with reference
to Figure 3.19. The two parts of the figure show the typical response of two materials to an
applied stress below the yield point during some time period. The material in (a) exhibits
perfect
elasticity;
the elasticidad
stress is removed,
material
returns to
its original
By
inciso
a), el
material when
presenta
perfecta;the
cuando
el esfuerzo
desaparece,
el shape.
material
contrast,
the material
(b)contraste,
shows viscoelastic
Themuestra
amountun
ofcomportamiento
strain gradually
regresa
a su forma
original.inEn
en el inciso behavior.
b), el material
increases over
time under
the appliedse
stress.
When gradualmente
stress is removed,
the material
viscoelástico.
La cantidad
de deformación
incrementa
en el tiempo
con el does
esnot immediately
return
its original
shape; instead,
the
decays
If the
fuerzo
aplicado. Al retirar
lostoesfuerzos,
el material
no regresa
destrain
inmediato
a sugradually.
forma original;
been
applied desaparece
and then en
immediately
removed,
the material
have
en stress
vez de had
ello, la
deformación
forma gradual.
Si el esfuerzo
se hubierawould
aplicado
y
returned
immediately
to itshabría
starting
shape.inmediatamente
However, time
entered
picture
retirado
de inmediato,
el material
regresado
a suhas
forma
inicial. the
Sin embarplayedentra
a role
in affecting
of theelmaterial.
go,and
el tiempo
en acción
y juegathe
un behavior
papel al afectar
comportamiento del material.
A simple
model
viscoelasticityse
can
be developed
using de
theelasticidad
definitionen
ofun
elasticity
Un modelo
sencillo
deofviscoelasticidad
presenta
con el empleo
punto
as a starting
Elasticity
concisely
by Hooke’s
law, s ¼
simply
inicial.
La ley depoint.
Hooke,
σ = Eϵis
, expresa
de expressed
manera concisa
la elasticidad,
y Ee,
sólowhich
relaciona
el
relatescon
stress
to strain through
of proportionality.
In a viscoelastic
solid,visthe
esfuerzo
la deformación
a travésa constant
de una constante
de proporcionalidad.
En un sólido
relationship
between
and strain
is time dependent;
it can
be expressed
coelástico,
la relación
entrestress
el esfuerzo
y la deformación
depende del
tiempo;
se expresaas
así
sðtÞ ¼ f ðtÞe (3.27)
(3.27)
The time
f(t)secan
be conceptualized
a modulus
of elasticity
depends
La función
delfunction
tiempo f(t)
conceptualiza
como unas
módulo
de elasticidad
que that
depende
del
on time.
It might
be written
E(t)
and referred
to aaséste
a viscoelastic
modulus.
The form of
tiempo.
Podría
escribirse
como E(t)
y hacer
referencia
como un módulo
de viscoelasticithis
function
be complex,
sometimes
including
strain
as a afactor.
Without getting
dad.
Latime
forma
de estacan
función
del tiempo
es compleja,
a veces
incluye
la deformación
como
intoAun
the sin
mathematical
for it, we canesnevertheless
explore
the de
effect
of the
factor.
entrar a sus expressions
expresiones matemáticas,
posible explorar
el efecto
la depentimedel
dependency.
common
effect
canen
belaseen
in 3.20,
Figure
3.20,
which
the stress–
dencia
tiempo. Un One
efecto
común se
aprecia
figura
que
muestra
el shows
comportamiento
esfuerzo-deformación
un polímero polymer
termoplástico
a tasas
de rates.
deformación
strain behavior of ade
thermoplastic
undersujeto
different
strain
At low diferentes.
strain rate,
Con
una
tasa baja,
el material
presentaviscous
un flujoflow.
viscoso
Con una
tasa alta,insea comthe
material
exhibits
significant
At significativo.
high strain rate,
it behaves
much
porta
en una
forma
mucho más frágil.
more
brittle
fashion.
La temperatura es un factor de la viscoelasticidad. Conforme la temperatura se incrementa,
el comportamiento viscoso se vuelve más y más prominente respecto al comportamiento elástico.
El material se vuelve algo parecido a un fluido. La figura 3.21 ilustra esta dependencia de la temperatura para un polímero termoplástico. A temperaturas bajas, el polímero muestra comportamiento elástico. Conforme T aumenta por arriba de la temperatura de transición vítrea, Tg, el
polímero se vuelve viscoelástico. Si la temperatura se incrementara más, se vuelve suave y como
hule. A temperaturas aún mayores, adquiere características viscosas. Las temperaturas a las que
70 CAPÍTULO 3
Propiedades de los materiales de ingeniería
FIGURA 3.20 Curva esfuerzodeformación de un material viscoelástico (polímero termoplástico) a
tasas de deformación alta y baja.
(Crédito: Fundamentals of Modern
Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P.
Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)
Esfuerzo
Tasa rápida de deformación
Tasa lenta de deformación
Deformación
se observan estos modos de comportamiento varían en función del plástico. Asimismo, las formas del módulo versus la curva de temperatura difieren de acuerdo con las proporciones de estructuras cristalinas y amorfas en el termoplástico. Los polímeros termoestables o termofijos y
los elastómeros se comportan en forma distinta de la que ilustra la figura; después de la vulcanización, esos polímeros no se suavizan como lo hacen los termoplásticos a temperaturas elevadas.
En vez de ello se degradan (se carbonizan).
El comportamiento viscoelástico se manifiesta en la fusión de los polímeros como memoria
de su forma. Conforme el polímero espeso se funde, se transforma durante el proceso de una
forma a otra; “recuerda” su forma anterior y trata de volver a esa geometría. Por ejemplo, un
problema común en la extrusión de polímeros es el aumento de volumen de la matriz, en el que
el perfil del material extruido aumenta de tamaño, lo que refleja su tendencia a regresar a la sección transversal más grande que tenía en el dado de salida inmediatamente antes de ser empujado
a través de la abertura pequeña del dado de entrada. En el estudio del moldeo del plástico se
examinan con más detalle las propiedades de viscosidad y viscoelasticidad (véase el capítulo 8).
Propiedades volumétricas y de fusión
Estas propiedades se relacionan con el volumen de los sólidos y la manera en que las afecta la
temperatura. Incluyen densidad, expansión térmica y punto de fusión. Se explican a continuación
y en la tabla 3.10 se da una lista de valores típicos para materiales seleccionados en la ingeniería.
Comportamiento elástico
FIGURA 3.21 Módulo viscoelástico
como función de la temperatura para un
polímero termoplástico. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a.
ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley &
Sons, Inc.)
Módulo viscoelástico
3.6
Comportamiento viscoelástico
Semejante al hule
Flujo viscoso
Tg
Tm
Temperatura
3.6
3.6.1
C03
08/16/2011
16:3:59
Propiedades volumétricas y de fusión 71
Densidad y expansión térmica
Page 73
En la ingeniería, la densidad de un material es su peso por unidad de volumen. Su símbolo es ρ,
y las unidades comunes son g/cm3 (lb/pulg3). La densidad de un elemento está determinada por
su número atómico y otros factores como el radio atómico y la manera en la que sus átomos se
compactan. El término gravedad específica expresa la densidad de un material en relación con la
densidad del agua y por tanto es una razón adimensional.
La densidad es una consideración importante en la selección de un material para una aplicación específica, pero generalmente no es la única propiedad de interés. La resistencia también es
importante, y con frecuencia las dos propiedades se relacionan con una razón resistencia a peso,
que es la resistencia a la tensión del material dividida entre su densidad. La razón es útil para
Section 3.6/Volumetric and Melting Properties
73
comparar materiales para aplicaciones estructurales en los aviones, automóviles y otros productos en los que el peso y la energía importan.
The density
a material
is afunción
function
The
general
relationship
La densidad
de unofmaterial
es una
deof
la temperature.
temperatura. La
relación
general
es que lais
that density
decreases
increasing
temperature.
way,
the volume
unit
densidad
disminuye
con elwith
aumento
de temperatura.
DichoPut
de another
otra forma,
el volumen
porper
unidad
expansion
nameque
given
deweight
peso seincreases
incrementawith
con temperature.
la temperatura.Thermal
Expansión
térmica esiselthe
nombre
se datoa this
este effect
efecdensity.
It is usually
expressed
as thecomo
coefficient
of thermal
to that
que latemperature
temperatura has
tieneon
sobre
la densidad.
Por lo general
se expresa
coeficiente
de exexpansion,
which
the change
in length
degree
of temperature,
asmm/mm/°C
mm/mm/� C
pansión
térmica,
quemeasures
mide el cambio
de longitud
porper
grado
de temperatura,
como
is auna
length
rather than
a volume
because
this aisque
easier
to measure
(in/in/� F). It Es
(pulg/pulg/°F).
razónratio
de longitud
en vez
de una deratio
volumen,
debido
es más
fácil de
and yapply.
It Es
is consistent
withla the
usual habitual
design situation
in which
dimensional
medir
aplicar.
coherente con
situación
en el diseño
en la que
los cambioschanges
de diare of greater
interest
than
changes.
change
in length
correspondinga to
mensión
tienen más
interés
quevolumetric
los volumétricos.
El The
cambio
de longitud
correspondiente
una
givenespecífico
temperature
change is given
cambio
de temperatura
lo da laby:
ecuación:
(3.28)
L2 � L1 ¼ aL1 ðT 2 � T 1 Þ (3.28)
where a ¼ coefficient of thermal expansion, � C�1(� F�1); and L1 and L2 are lengths, mm
(in), corresponding, respectively, to temperatures T1 and T2, � C (� F).
TABLA 3.10 Propiedades volumétricas
en unidades
tradicionales
de Estados
Unidosgiven
para materiales
seleccionados
Values
of coefficient
of thermal
expansion
in Table 3.10
suggest that it has a
en la ingeniería
linear relationship with temperature. This is only an approximation. Not only is length
Punto
de fusión,
Tm For
affected
by temperature,
but
the thermal
expansion
coefficient
itself
is also
affected.
Densidad,
ρ
Coeficiente
de expansión
térmica,
α
some
it increases
with
temperature;°Ffor
materials°C
it decreases.
3
3
−1 ×other
Material
g/cmmaterials
lb/pulg
°F These
C−1 × 10−6
10−6
changes are usually not significant enough to be of much concern, and values like those in
Metales
the table are quite useful in design calculations for the range of temperatures contem660
13.3
0.098Changes in 24
2.70in service.
Aluminio
1 220metal
plated
the coefficient are
more substantial
when the
1 083
9.4
17
0.324
8.97
Cobre
1 981
undergoes a phase transformation, such as from solid to liquid, or from one crystal
1 539
6.7
12.1
0.284
7.87
Hierro
2 802
structure
327
16.1
29
0.410
11.35 to another.
Plomo
621
In manufacturing
operations,
use in shrink
fit and
14.4 is put to good650
26 thermal expansion
0.063
1.74
Magnesio
1 202
expansion
(Section13.3
25.3.2), in which 7.4
a part is heated 1to
increase 2its651
size or
455
0.322
8.92 fit assemblies
Níquel
a
cooled
the partareturns
6.7 other part. When
12 insertion into some
0.284its size to permit
7.87to decrease
Acero
0.264
7.31
Estaño
232
to ambient
temperature,
a tightly23
fitted assembly is12.7
obtained. Thermal
expansion 449
can be a
2.2
4.0 20) and welding
0.697
19.30 in heat
Tungsteno
3 410 due to6 170
problem
treatment (Chapter
(Section 23.6)
thermal
40
0.258 in the material
7.15 that develop
Zinc
420
787
stresses
during these22.2
processes.
Cerámicos
b
b
1.0-5.0
1.8-9.0
0.090
2.5
Vidrio
5.0
9.0
0.137
3.8
Alúmina
NA
NA
b
b
NA
NA
0.096
2.66
Sílice
3.6.2
MELTING CHARACTERISTICS
Polímeros
c
For a1.3pure element,
33 temperature at cwhich the material
60 point Tm is the
0.047 the melting
Resinas fenólicas
b
b
transforms
solid to liquid100
state. The reverse55transformation, from liquid to solid,
0.042
1.16 from
Nylon
b
b
55
0.079temperature100
2.2at the same
Teflón
occurs
and is called the freezing
point. For crystalline
elements,
b
b
45
80
0.043
1.2
Hule natural
such as metals, the melting and freezing temperatures are the same. A certain amount of
b
b
180
0.033the heat of fusion,
0.92
Polietileno (baja densidad)
heat energy,
called
is required100
at this temperature
to accomplish
the
b
b
33
60
0.038
1.05
Poliestireno
transformation
from solid to liquid.
Melting
Recopilado de las referencias [8], [11], y de otras
fuentes. of a metal element at a specific temperature, as described here, assumes
a Las características de fusión del acero dependen de su composición.
equilibrium conditions. Exceptions occur in nature; for example, when a molten metal
b Se ablandan a temperaturas elevadas y no tienen un punto de fusión bien definido.
is cooled, it may remain in the liquid state below its freezing point if nucleation of
c Se degradan químicamente a temperaturas elevadas. ND = no disponible; no se pudo obtener el valor de la propiedad para este material.
crystals does not initiate immediately. When this happens, the liquid is said to be
supercooled.
There are other variations in the melting process—differences in the way melting
occurs in different materials. For example, unlike pure metals, most metal alloys do not
have a single melting point. Instead, melting begins at a certain temperature, called the
solidus, and continues as the temperature increases until finally converting completely to
72 CAPÍTULO 3
Propiedades de los materiales de ingeniería
donde α es el coeficiente de expansión térmica, °C–1 (°F–1); y L1 y L2 son longitudes, mm (pulg),
que corresponden, respectivamente, a las temperaturas T1 y T2, °C (°F).
Los valores del coeficiente de expansión térmica dados en la tabla 3.10 sugieren que éste
tiene una relación lineal con la temperatura. Eso es únicamente una aproximación. No sólo la
longitud es afectada por la temperatura, sino que el coeficiente de expansión térmica en sí también se ve afectado. Para ciertos materiales se incrementa con la temperatura; para otros, disminuye. En general, esos cambios no son lo bastante significativos para prestarles mucha atención,
y valores como los de la tabla son muy útiles en los cálculos del diseño para el rango de temperaturas de servicio. Los cambios en el coeficiente son más sustanciales cuando el metal pasa por
una fase de transformación, por ejemplo de sólido a líquido, o de una estructura cristalina a otra.
En las operaciones de manufactura, la expansión térmica tiene un buen uso en el ajuste por
contracción y en los ensambles de ajuste por expansión (véase la sección 25.3.2), en los que un
elemento se calienta para incrementar su tamaño o se enfría para disminuirlo, a fin de permitir su
inserción en alguna otra parte. Cuando el elemento regresa a la temperatura ambiente se obtiene
un ensamble con ajuste muy estrecho. La expansión térmica puede ser un problema en el tratamiento térmico (véase el capítulo 20) y en las soldaduras por fusión (véase la sección 23.6) debido a los esfuerzos térmicos que se presentan en el material durante esos procesos.
3.6.2
Características de fusión
Para un elemento puro, el punto de fusión, Tm, es la temperatura a la que el material pasa del
estado sólido al líquido. La transformación inversa, de líquido a sólido, ocurre a la misma temperatura y se denomina punto de enfriamiento. Para elementos cristalinos, como los metales, las
temperaturas de fusión y enfriamiento son las mismas. A esa temperatura, con objeto de efectuar
la transformación de sólido a líquido se requiere cierta cantidad de energía calorífica, llamada
calor de fusión.
La fusión de un elemento metálico a una temperatura específica, como se ha descrito aquí,
supone condiciones de equilibrio. En la naturaleza hay excepciones; por ejemplo, cuando se enfría un metal fundido, permanece en estado líquido por debajo de su punto de enfriamiento si la
formación de núcleos de cristales no se inicia de inmediato. Cuando esto pasa, se dice que el líquido está superfrío.
Hay otras variaciones en el proceso de fusión (para materiales distintos hay diferencias en la
forma de fusión). Por ejemplo, a diferencia de los metales puros, la mayoría de las aleaciones
metálicas no tienen un solo punto de fusión. En vez de ello, la fusión comienza a cierta temperatura, llamada solidus, y continúa conforme la temperatura aumenta hasta que por último se convierten por completo al estado líquido a una temperatura denominada liquidus. Entre las dos
temperaturas, la aleación es una mezcla de metales sólidos y fundidos, la cantidad de cada uno de
los cuales es inversamente proporcional a sus distancias relativas a cada uno de los puntos. Aunque la mayoría de aleaciones se comportan de esta manera, las excepciones son las aleaciones
eutécticas que se funden (y enfrían) a una temperatura única.
Otra diferencia en la fusión ocurre en los materiales no cristalinos (vidrios). En ellos hay una
transición gradual de los estados sólidos a los líquidos. El material sólido se suaviza en forma
gradual conforme la temperatura aumenta, y por último se hace líquido en el punto de fusión.
Durante el ablandamiento, el material tiene una consistencia de plasticidad creciente (cada vez
más como un fluido) según se acerca al punto de fusión.
En la figura 3.22 se ilustran estas diferencias en las características del punto de fusión para
los metales puros, aleaciones y vidrio. Las gráficas muestran cambios en la densidad como una
función de la temperatura para tres materiales hipotéticos: un metal puro, aleación y vidrio. En
la figura está graficado el cambio volumétrico, que es el recíproco de la densidad.
Es obvia la importancia que tiene la fusión en la manufactura. En la fundición de metal
(véanse los capítulos 5 y 6), el metal se funde y luego se vierte en la cavidad de un molde. Los
metales con puntos de fusión bajos por lo general son más fáciles de fundir, pero si la temperatura de fusión es demasiado baja, el metal pierde su aplicabilidad como material de ingeniería. Las
características de fusión de los polímeros son importantes en el moldeo de plásticos y otros pro-
3.7
Líquido
Liquidus (aleación)
Temperatura de
transición vítrea
(Densidad)–1
Volumen específico
C03
FIGURA 3.22 Cambios
de volumen por unidad de
peso (1/densidad) como una
función de la temperatura
para un metal puro hipotético, aleación y vidrio; todos
muestran características
08/16/2011 similares
16:3:59de expansión
Page 75
térmica y fusión. (Crédito:
Fundamentals of Modern
Manufacturing, 4a. ed., de
Mikell P. Groover, 2010.
Reimpreso con autorización
de John Wiley & Sons, Inc.)
Propiedades térmicas 73
Mezcla de aleación
sólida y líquida
Vidrio
Solidus (aleación)
Aleación
sólida
Punto deSection
fusión (metal
puro) Properties
3.7/Thermal
75
Metal puro
sólido
TABLE 3.11 Values of common thermal
properties
for selected materials. Values are at room temperature, and
these values change for different temperatures.
Temperatura
Specific Heat
�
Material
Thermal Conductivity
Specific Heat
a
Cal/g C or
Btu/lbm � F
�
J/s mm � C
Btu/hr in � F
Material
Thermal Conductivity
a
Cal/g C or
Btu/lbm � F
J/s mm � C
Btu/hr in � F
cesos de dar forma a polímeros (véase el capítulo 8). El sinterizado de metales y cerámicos pul-
Metals
verizados requiere el conocimiento Ceramics
de los puntos de fusión. El sinterizado no funde los materiaAluminum
0.21
9.75
Alumina
0.18
1.4
les, pero0.22
las temperaturas
que se usan
en el proceso deben
acercarse0.029
al punto de fusión
a fin de
Cast iron
0.11
0.06
2.7
Concrete
0.2
0.012
0.6
lograr la unión requerida de los polvos.
Copper
0.092
0.40
18.7
Polymers
Iron
0.11
0.072
2.98
Phenolics
0.4
0.00016
0.0077
Lead
0.031
0.033
1.68
Polyethylene
0.5
0.00034
0.016
Magnesium
0.25
0.16
7.58
Teflon
0.25
0.00020
0.0096
3.7
térmicas
Nickel Propiedades
0.105
0.070
2.88
Natural
0.48
0.00012
0.006
rubber
anterior tiene
que ver conOther
los efectos de la temperatura sobre las propiedades voluméSteel
0.11 La sección
0.046
2.20
los materiales.0.67
En esta sección
se examinan varias
térmicas adicionales,
las
Stainless
0.11 tricas de0.014
Water
1.00propiedades
0.0006
0.029
steelb
(liquid)
que se relacionan con el almacenamiento
y flujo del calor dentro de una sustancia. Las propiedaTin
0.054 des usuales
0.062
3.0el calor específico
Ice
0.46 térmica,
0.0023
0.11 valores
de interés son
y la conductividad
algunos de cuyos
Zinc
0.091 se encuentran
0.112 en la tabla
5.41
3.11, para materiales seleccionados.
Compiled from [8], [16], and other sources.
a
Specific heat has the same numerical value in Btu/lbm-F or Cal/g-C. 1.0 Calory ¼ 4.186 Joule.
b
Austenitic (18-8) stainless steel.
3.7.1
Calor específico y conductividad térmica
El calor específico C de un material se define como la cantidad de energía calorífica requerida
para incrementar la temperatura de una unidad de masa del material en un grado. En la tabla 3.11
are listed
in Table
3.11.A To
determine
the
needed topara
heat
se values
listan algunos
valores
comunes.
fin de
determinar
la amount
cantidad of
de energy
energía necesaria
ca-a
certain
a metal
a furnace
to a given alta
elevated
temperature,
thela following
lentar
ciertoweight
peso deofmetal
en uninhorno
a una temperatura
determinada,
se emplea
ecuación
equation can be used:
siguiente:
H ¼ CW ðT 2 � T 1 Þ
(3.29)
(3.29)
donde
H es
energía
calorífica,
J (Btu);
es el calor
del material,
°C
C (Btu/
where
H la
¼ cantidad
amount de
of heat
energy,
J (Btu);
C ¼Cspecific
heatespecífico
of the material,
J/kg �J/kg
�
�
�
(Btu/lb
°F);
peso, kgkg
(lb),
y (T
–
T
)
es
el
cambio
de
temperatura,
°C
(°F).
WW¼esitssuweight,
(lb);
and
(T
�
T
)
¼
change
in
temperature,
C
(
F).
lb F);
2
12
1
Es frecuente
que sea de
interés
la capacidad
calorífico
volumétrico
de un
The volumetric
heat
storage
capacity de
of aalmacenamiento
material is often
of interest.
This is simply
material.
es tan sólo
densidad
multiplicada
el calor específico,
ρC. Así,
calorenergy
espedensityÉsa
multiplied
bylaspecific
heat
rC. Thus,por
volumetric
specific heat
is theel heat
cífico
volumétrico
la energía
calorífica
se volume
requiere of
para
elevar en
grado
la temperatura
required
to raiseesthe
temperature
of aque
unit
material
byun
one
degree,
J/mm3 � C
3 � de volumen del material, J/mm3 °C (Btu/pulg3 °F).
de(Btu/in
una unidad
F).
La conducción
esisunaproceso
fundamental
de transferencia
Incluye
la transferencia
Conduction
fundamental
heat-transfer
process.de
It calor.
involves
transfer
of thermal
deenergy
energía within
térmica adentro
de unfrom
material
de molécula
a molécula
por medio
de movimientos
material
molecule
to molecule
bysólo
purely
thermal
motions; no
transfer of mass occurs. The thermal conductivity of a substance is therefore its capability
to transfer heat through itself by this physical mechanism. It is measured by the
coefficient of thermal conductivity k, which has typical units of J/s mm � C (Btu/in
hr � F). The coefficient of thermal conductivity is generally high in metals, low in ceramics
and plastics.
Metals
Aluminum
0.21
0.22
9.75
Cast iron
0.11
0.06
2.7
Copper
0.092
0.40
18.7
Iron
0.11
0.072
2.98
Lead
0.031
0.033
1.68
Magnesium 3 Propiedades
0.25
7.58
74 CAPÍTULO
de los0.16
materiales de ingeniería
Nickel
0.105
0.070
2.88
Ceramics
Alumina
0.18
0.029
1.4
Concrete
0.2
0.012
0.6
Polymers
Phenolics
0.4
0.00016
0.0077
Polyethylene
0.5
0.00034
0.016
Teflon
0.25
0.00020
0.0096
Natural
0.48
0.00012
0.006
rubber
Steel 3.11 Valores0.11
0.046
2.20 para materiales
Other seleccionados. Los valores son a temperatura
TABLA
de propiedades
térmicas comunes
Stainlessy cambian para
0.11 temperaturas
0.014
Water
1.00
0.0006
0.029
ambiente,
diferentes 0.67
steelb
(liquid)
Calor
Calor
Tin
0.054
0.062
3.0
Ice
0.46
0.0023
0.11
específico
Conductividad5.41
térmica
específico
Conductividad térmica
Zinc
0.091
0.112
a
a
Cal/gand
°C other
o
Cal/g °C o
Compiled from [8], [16],
sources.
a
Specific heat has theBtu/lbm
same numerical
Cal/g-C.
1.0 Calory ¼ 4.186
Joule.°F
Material
°F
J/svalue
mm in
°CBtu/lbm-F
Btu/hor
pulg
°F Material
Btu/lbm
b
Austenitic (18-8) stainless steel.
Metales
Aluminio
Hierro fundido
Cobre
Hierro
Plomo
Magnesio
Níquel
Acero
Acero
inoxidableb
Estaño
Zinc
0.21
0.11
0.092
0.11
0.031
0.25
0.105
0.11
0.11
0.054
0.091
J/s mm °C
Btu/h pulg °F
Cerámicos
1.4
0.029
0.18
Alúmina
9.75
0.22
0.6
0.012
0.2
Concreto
2.7
0.06
Polímeros
18.7
0.40
0.0077to heat a
0.072are listed in2.98
values
Table 3.11. Fenólicos
To determine0.4
the amount 0.00016
of energy needed
0.5 elevated 0.00034
Polietilenoto a given
0.033weight of a1.68
certain
metal in a furnace
temperature,0.016
the following
0.0096
0.00020
0.25
Teflón
7.58
0.16 can be used:
equation
Hule
2.88
0.070
0.006
0.00012
natural
H ¼ CW ðT0.48
(3.29)
2 � T 1Þ
Otros
2.20
0.046
Agua
where H ¼ amount of heat energy, J (Btu); C ¼ specific heat of the material, J/kg � C (Btu/
0.029
0.0006
1.00
(líquida)
0.67
0.014
�
F); W ¼ its weight,
and (T2 � T1)0.46
¼ change in0.0023
temperature,0.11
C (� F).
lb �0.062
3.0 kg (lb); Hielo
The volumetric
5.41heat storage capacity of a material is often of interest. This is simply
0.112
density multiplied by specific heat rC. Thus, volumetric specific heat is the heat energy
of material by one degree, J/mm3 � C
Recopilado de las referencias [8], [16],required
y de otras fuentes.
to raise the temperature of a unit volume
a El calor específico tiene el mismo valor numérico en Btu/lbm-F o Cal/g-C. 1.0 caloría = 4.186 Joules.
3 �
F).
b Acero inoxidable austenítico (18-8). (Btu/in
Conduction is a fundamental heat-transfer process. It involves transfer of thermal
energy within a material from molecule to molecule by purely thermal motions; no
transfer of mass occurs. The thermal conductivity of a substance is therefore its capability
to transfer
heat
through itself
by Por
thistanto,
physical
mechanism.
It is de
measured
by the
térmicos;
no hay
transferencia
de masa.
la conductividad
térmica
una sustancia
es
�
C (Btu/in
of thermal
k, sí
which
units of físico.
J/s mm
sucoefficient
capacidad para
transferirconductivity
calor a través de
mismahas
portypical
este mecanismo
Se mide
con el
of thermal
is generally
in ceramics
hr � F). The
coeficiente
de coefficient
conductividad
térmica,conductivity
k, cuyas unidades
comuneshigh
son in
J/smetals,
mm °C low
(Btu/pulg
h °F).
and plastics. el coeficiente de conductividad térmica es elevado en los metales y bajo en los
Generalmente,
The
ratio
of thermal conductivity to volumetric specific heat is frequently
cerámicos
y los
plásticos.
encountered
indeheat-transfer
analysis.
called the
thermal
diffusivity
K and is
En el análisis
la transferencia
de calorItesisfrecuente
encontrar
la razón
de conductividad
determined
térmica
a calor as
específico volumétrico. Se denomina difusión térmica, K, y se determina con
K¼
k
rC
(3.30)
(3.30)
Esta
propiedad
paratocalcular
las temperaturas
de corte eninelmachining
maquinado(Section
(véase la 15.5.1).
sección
This
propertyseisusa
used
calculate
cutting temperatures
15.5.1).
3.7.2
Propiedades térmicas en la manufactura
Las propiedades térmicas desempeñan un papel importante en la manufactura debido a que en
muchos de sus procesos es común que se genere calor. En ciertas operaciones, el calor es la energía que lleva a cabo el proceso; en otros, el calor se genera como consecuencia del proceso.
El calor específico es de interés por varias razones. En procesos que requieren el calentamiento del material (por ejemplo, fundición, tratamiento térmico y conformado de metales calientes), el calor específico determina la cantidad de energía calorífica necesaria para elevar la
temperatura al nivel deseado, de acuerdo con la ecuación (3.29).
En muchos procesos que se efectúan a temperatura ambiente, la energía mecánica que ejecuta la operación se convierte en calor, lo que eleva la temperatura del elemento que se trabaja.
Esto es común en el maquinado y conformado en frío de los metales. El aumento de temperatura
es una función del calor específico del metal. Es frecuente que en el maquinado se utilicen refri-
Preguntas de repaso 75
gerantes para reducir dichas temperaturas, y en este caso es crítica la capacidad calorífica del
fluido. Casi siempre se emplea agua como la base de esos fluidos debido a su gran capacidad de
absorción de calor.
La conductividad térmica funciona para disipar el calor de los procesos de manufactura, unas
veces en forma benéfica y otras no. En los procesos mecánicos como el conformado y maquinado
de metal, gran parte de la potencia requerida para operar el proceso se convierte en calor. En esos
procesos es muy deseable que el material de trabajo y las herramientas tengan la capacidad de
conducir el calor.
Por otro lado, la conductividad térmica elevada del metal de trabajo no es deseable en los
procesos de soldadura por fusión, como la soldadura por arco eléctrico. En estas operaciones, la
fuente de calor debe concentrarse en la ubicación de la unión de modo que el metal pueda fundirse. Por ejemplo, en general el cobre es difícil de soldar debido a que su elevada conductividad
térmica permite que el calor pase con demasiada rapidez de la fuente de energía al resto del elemento, lo que inhibe su acumulación para fundir la unión.
Referencias
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Preguntas de repaso
3.1. ¿Cuál es el dilema entre el diseño y la manufactura, en términos de las propiedades mecánicas?
3.2. ¿Cuáles son los tres tipos de esfuerzos estáticos a los que se
sujetan los materiales?
3.3. Enuncie la ley de Hooke.
3.4. ¿Cuál es la diferencia entre el esfuerzo ingenieril y el esfuerzo real en una prueba de tensión?
3.5. Defina la resistencia a la tensión de un material.
3.6. Defina la resistencia a la cedencia de un material.
3.7. ¿Por qué no puede hacerse una conversión directa entre las
medidas de la ductilidad de elongación y la reducción del
área, con el uso de la suposición de volumen constante?
3.8. ¿Qué es el endurecimiento por trabajo?
3.9. ¿Bajo qué circunstancias el coeficiente de resistencia tiene el
mismo valor que la resistencia de cedencia?
3.10. ¿En qué difiere el cambio del área de la sección transversal
de un espécimen de una prueba de compresión, de su contraparte en una prueba de tensión?
76 CAPÍTULO 3
Propiedades de los materiales de ingeniería
3.11. La prueba de tensión no es apropiada para materiales duros
y frágiles como los cerámicos. ¿Cuál es la prueba que se usa
por lo común para determinar las propiedades de resistencia
de dichos materiales?
3.12. ¿Cómo se relaciona el módulo de elasticidad cortante, G,
con el módulo de elasticidad a tensión, E, en promedio?
3.13. ¿Cómo se relaciona la resistencia al corte, S, con la resistencia a la tensión, TS, en promedio?
3.14. ¿Qué es dureza, y cómo se prueba generalmente?
3.15. ¿Por qué se requieren pruebas y escalas diferentes para la
dureza?
3.16.
3.17.
3.18.
3.19.
3.20.
3.21.
Defina la temperatura de recristalización para un metal.
Defina la viscosidad de un fluido.
¿Cuál es la característica definitoria de un fluido newtoniano?
¿Qué es viscoelasticidad, como propiedad de un material?
Defina la densidad como propiedad de los materiales.
¿Cuál es la diferencia en las características de fusión entre
un elemento de metal puro y otro de aleación?
3.22. Defina el calor específico como propiedad de los materiales.
3.23. ¿Qué es la conductividad térmica como propiedad de los materiales?
3.24. Defina la difusividad térmica.
Problemas
3.1.
3.2.
3.3.
3.4.
3.5.
3.6.
Una prueba de tensión usa una probeta que tiene una longitud nominal de 50 mm y un área de 200 mm2. Durante la
prueba, la probeta cede bajo una carga de 98 000 N. La longitud de medición correspondiente es de 50.23 mm. Esto es
0.2% del punto de cedencia. La carga máxima de 168 000 N
se alcanza con una longitud de 64.2 mm. Determine a) la
resistencia de cedencia, b) el módulo de elasticidad, y
c) la resistencia a la tensión. d) Si se presenta fractura a una
longitud de 67.3 mm, determine el porcentaje de elongación.
e) Si la probeta se estrangula hasta un área = 92 mm2, determine el porcentaje de reducción de área.
Una probeta en una prueba de tensión tiene una longitud nominal de 2.0 pulg y un área de 0.5 pulg2. Durante la prueba
la probeta cede con una carga de 32 000 lb a una longitud de
2.0083 pulg. Esto representa 2% del punto de cedencia. La
carga máxima de 60 000 lb se alcanza a una longitud de 2.60
pulg. Determine a) el esfuerzo de cedencia, b) el módulo de
elasticidad y c) la resistencia a la tensión. d) Si la fractura
ocurre a una longitud de 2.92 pulg, determine el porcentaje
de elongación. e) Si la probeta se estrangula hasta un área de
0.25 pulg2, determine el porcentaje de reducción del área.
En una prueba de tensión sobre una probeta de metal, la deformación real es de 0.08 con un esfuerzo de 265 MPa.
Cuando el esfuerzo real es de 325 MPa, la deformación real
es de 0.27. Determine el coeficiente de resistencia y el exponente de endurecimiento por deformación en la ecuación de
la curva de flujo.
Durante una prueba de tensión, un metal tiene una deformación real de 0.10 con un esfuerzo real de 37 000 lb/pulg2.
Después, con un esfuerzo real de 55 000 lb/pulg2, la deformación real es de 0.25. Determine el coeficiente de resistencia y el exponente de endurecimiento por deformación en la
ecuación de la curva de flujo.
Una prueba de tensión para cierto metal proporciona los siguientes parámetros de la curva de flujo: el exponente de
endurecimiento por deformación es de 0.3, y el de resistencia es de 600 MPa. Determine a) el esfuerzo de flujo para
una deformación real de 1.0 y b) la deformación real para un
esfuerzo de flujo de 600 MPa.
La curva de flujo para cierto metal tiene los parámetros siguientes: el exponente de endurecimiento por deformación
es de 0.22, y el coeficiente de resistencia es de 54 000 lb/
pulg2. Determine: a) el esfuerzo de flujo para una deformación real de 0.45 y b) la deformación real para un esfuerzo de
flujo de 40 000 lb/pulg2.
3.7. Un metal se deforma en una prueba de tensión dentro de la
región plástica. La probeta tenía al principio una longitud de
2.0 pulg y un área de 0.50 pulg2. En cierto punto de la prueba
de tensión, la longitud es de 2.5 pulg y el esfuerzo ingenieril
correspondiente es de 24 000 lb/pulg2; en otro punto de la
prueba, anterior al estrangulamiento, la longitud es de 3.2
pulg y el esfuerzo ingenieril correspondiente es de 28 000 lb/
pulg2. Determine el coeficiente de resistencia y el exponente
de endurecimiento por deformación para este metal.
3.8. Una probeta para la prueba de tensión se estira al doble de su
longitud original. Determine la deformación ingenieril y la
deformación real para la prueba. Si el metal se había deformado durante la compresión, determine la longitud final que
se comprimió el espécimen, de modo que a) la deformación
ingenieril sea igual al mismo valor que en la tensión (será un
valor negativo debido a la compresión) y b) la deformación
real sea igual al mismo valor que en la tensión (otra vez, será
un valor negativo debido a la compresión). Obsérvese que la
respuesta al inciso a) es un resultado imposible. Por tanto,
la deformación real es una mejor medición durante la deformación plástica.
3.9. Demuestre que la deformación real es igual a ln(1 + e), donde e = deformación ingenieril.
3.10. Un alambre de cobre de 0.80 mm de diámetro falla para un
esfuerzo ingenieril de 248.2 MPa. Su ductilidad se mide como 75% de reducción del área. Determine el esfuerzo real y
la deformación real en la falla.
3.11. Una probeta de acero de una prueba de tensión, con longitud
inicial de 2.0 pulg y área de sección transversal de 0.5 pulg2,
alcanza una carga máxima de 37 000 lb. Su elongación en
este punto es de 24%. Determine el esfuerzo real y la deformación real para esta carga máxima.
3.12. Una aleación metálica ha sido probada a la tensión, con los
resultados siguientes para los parámetros de la curva de flujo: coeficiente de resistencia de 620.5 MPa, y exponente de
endurecimiento por deformación de 0.26. Luego, el mismo
metal se prueba a la compresión en que la altura inicial del
espécimen es de 62.5 mm con diámetro de 25 mm. Suponga
que la sección transversal se incrementa de modo uniforme
y determine la carga que se requiere para comprimir el espécimen a una altura de a) 50 mm y b) 37.5 mm.
3.13. Los parámetros de la curva de flujo para cierto acero inoxidable son los que siguen: coeficiente de resistencia de 1 100
MPa, y exponente de endurecimiento por deformación de
0.35. Un espécimen cilíndrico con área inicial de sección
Problemas 77
3.14.
3.15.
3.16.
3.17.
3.18.
3.19.
transversal igual a 1 000 mm2 y altura de 75 mm se comprime a una altura de 58 mm. Determine la fuerza requerida
para lograr esa compresión, suponiendo que la sección transversal se incrementa de modo uniforme.
Se utiliza una prueba de flexión para cierto material duro. Si
se sabe que la resistencia a la ruptura transversal del material
es de 1 000 MPa, ¿cuál es la carga prevista a la que es probable que falle el espécimen, dado que sus dimensiones son: 15
mm de ancho de la sección transversal, 10 mm de espesor de
la sección transversal y 60 mm de longitud?
Un espécimen de cerámico especial se prueba a la flexión.
Sus dimensiones son las siguientes: ancho de la sección
transversal igual a 0.50 pulg y espesor de la sección transversal de 0.25 pulg. La longitud del espécimen entre los apoyos
es de 2.0 pulg. Determine la resistencia a la ruptura transversal si la falla ocurre con una carga de 1 700 lb.
Una probeta de prueba a la torsión tiene un radio de 25 mm,
espesor de pared de 3 mm y longitud de medición de 50 mm.
Durante la prueba, un par de 900 N-m da como resultado una
deflexión angular de 0.3°. Determine a) el esfuerzo cortante,
b) la deformación cortante y c) el módulo cortante, si se supone que la probeta aún no se ha vencido. d) Si la falla de la
probeta ocurre para un par de 1 200 N-m y una deflexión
angular correspondiente de 10°, ¿cuál es la resistencia al corte del metal?
En una prueba de torsión se aplica un par de 5 000 lb-pie que
ocasiona una deflexión angular de 1° sobre un espécimen
tubular de pared delgada cuyo radio es de 1.5 pulg, el espesor de la pared es de 0.10 pulg y la longitud de medida es de
2.0 pulg. Determine a) el esfuerzo cortante, b) la deformación cortante y c) el módulo cortante, si se supone que el
espécimen aún no se ha vencido. Si el espécimen falla con
un par de 8 000 lb-pie y una deflexión angular de 23°, calcule la resistencia al corte del metal.
En una prueba de dureza Brinell se aplica una carga de 1 500
kg sobre un espécimen, con el empleo de una bola de acero
endurecido de 10 mm de diámetro. La indentación resultante
tiene un diámetro de 3.2 mm. Determine el número de dureza Brinell para el metal. Si el espécimen es de acero, estime
la resistencia a la tensión del acero.
Uno de los inspectores del departamento de control de calidad ha usado con frecuencia las pruebas de dureza Brinell y
Rockwell, para las que la compañía cuenta con el equipo. Él
3.20.
3.21.
3.22.
3.23.
3.24.
3.25.
3.26.
afirma que la prueba Rockwell se basa en el mismo principio
que en la Brinell, que consiste en que la dureza siempre se
mide como la carga que se aplica dividida entre el área de las
impresiones que deja un indentor. ¿Está en lo correcto? Si no
es así, ¿en qué difiere la prueba Rockwell?
Se acaba de recibir del proveedor un lote de acero recocido.
Se supone que tiene una resistencia a la tensión en el rango
de 60 000 a 70 000 lb/pulg2. Una prueba de dureza Brinell en
el departamento que lo recibió da un valor de HB = 118.
¿Cumple el acero con la especificación para la resistencia a
la tensión?
Dos placas planas, separadas por un espacio de 4 mm, se
mueven una respecto de la otra a una velocidad de 5 m/s. El
espacio entre ellas está ocupado por un fluido de viscosidad
desconocida. Al movimiento de las placas se opone un esfuerzo cortante de 10 Pa, debido a la viscosidad del fluido. Si
se supone que el gradiente de velocidad del fluido es constante, determine el coeficiente de viscosidad del fluido.
Dos superficies paralelas, separadas por un espacio de 0.5
pulg ocupado por un fluido, se mueven una con respecto de
la otra a una velocidad de 25 pulg/s. Un esfuerzo cortante
opone una resistencia de 0.3 lb/pulg2 al movimiento, debido
a la viscosidad del fluido. Si el gradiente de velocidad en el
espacio entre las superficies es constante, determine la viscosidad del fluido.
El diámetro inicial de una flecha es de 25.00 mm. Se va a
insertar en el barreno de un ensamble de ajuste por expansión. Para insertarlo con facilidad debe reducirse el diámetro
de la flecha por enfriamiento. Determine la temperatura a
que debe reducirse la flecha a partir de la temperatura ambiente (20 °C) a fin de disminuir su diámetro a 24.98 mm.
Consulte la tabla 3.10.
El aluminio tiene una densidad de 2.70 g/cm3 a temperatura
ambiente (20 °C). Determine su densidad a 650 °C, usando
los datos de la tabla 3.10 como referencia.
En relación con la tabla 3.10, determine el incremento de la
longitud de una barra de acero cuya longitud es de 10.0 pulg,
si se calienta de la temperatura ambiente (70 °F) a 500 °F.
En relación con la tabla 3.11, determine la cantidad de calor
requerido para incrementar la temperatura de un bloque de
aluminio que mide 10 cm × 10 cm × 10 cm, a temperatura
ambiente (21 °C) a 300 °C.
4
Dimensiones,
tolerancias y superficies
CONTENIDO DEL CAPÍTULO
4.1
Dimensiones y tolerancias
4.1.1 Dimensiones y tolerancias
4.1.2 Otros atributos geométricos
4.2
Superficies
4.2.1 Características de las superficies
4.2.2 Textura de la superficie
4.2.3 Integridad de la superficie
4.3
Efecto de los procesos de manufactura
Apéndice A4 Medición de dimensiones
y superficies
A4.1 Instrumentos de medición y calibradores
convencionales
A4.2
A4.1.1 Bloques calibradores de precisión
A4.1.2 Instrumentos de medición para
dimensiones lineales
A4.1.3 Instrumentos comparativos
A4.1.4 Mediciones angulares
Mediciones de superficies
A4.2.1 Medición de la rugosidad de la
superficie
A4.2.2 Evaluación de la integridad de la
superficie
Además de las propiedades de los materiales de ingeniería, otros factores que determinan el rendimiento de un producto manufacturado incluyen las dimensiones y superficies de sus componentes. Las dimensiones son los tamaños lineales o angulares de un componente, especificadas
en el plano de la pieza. Las dimensiones son importantes porque determinan lo bien que se ajustan los componentes de un producto durante su ensamble. Al fabricar un componente dado, es
casi imposible y muy costoso dar al elemento la dimensión nominal que se establece en el plano.
En vez de ello, se permite una variación limitada de la dimensión, y la que es permisible se denomina tolerancia.
Las superficies de un componente también son importantes. Afectan el desempeño del producto, el ajuste del ensamble y la percepción estética que un consumidor potencial podría tener
del producto. Una superficie es el límite exterior de un objeto con su ambiente, que puede ser otro
objeto, un fluido, el espacio o una combinación de éstos. La superficie encierra el conjunto de
propiedades mecánicas y físicas.
En este capítulo se estudian las dimensiones, las tolerancias y las superficies: tres atributos
especificados por el diseñador del producto y determinados por los procesos de manufactura que
se emplean para fabricar las piezas y los productos. En el apéndice A4 se estudia la manera
de evaluar estos atributos usando dispositivos de medición y calibración. Un tema estrechamente
relacionado es la inspección, que se estudia en el capítulo 30.
4.1 Dimensiones y tolerancias
En esta sección se definen los parámetros básicos que usan los ingenieros de diseño para especificar las dimensiones de las características geométricas en el plano de una pieza. Los parámetros
incluyen dimensiones y tolerancias, planicidad, redondez y angularidad.
4.2
2.500+0.005
−0.005
a)
+0.010
2.500−0.000
b)
Superficies 79
2.505
2.495
c)
FIGURA 4.1 Tres maneras de especificar los límites de la tolerancia de una dimensión nominal de
2.500: a) bilateral, b) unilateral y c) dimensiones límite. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)
4.1.1
Dimensiones y tolerancias
La ANSI [3] define dimensión como el “valor numérico expresado en las unidades apropiadas de
medida, que se indica en un plano y otros documentos junto con líneas, símbolos y notas para
definir el tamaño o característica geométrica, o ambas, de una pieza o característica de una pieza”. Las dimensiones de una pieza en un plano o dibujo representan los tamaños nominales o
básicos de la pieza y sus características. Éstos son los valores que el diseñador querría que la
pieza tuviera, si pudiera fabricarse con un tamaño exacto, sin errores ni variaciones en el proceso
de fabricación. Sin embargo, en el proceso de manufactura hay variaciones que se manifiestan
como variaciones en el tamaño de la pieza. Las tolerancias se utilizan para definir los límites de
la variación permitida. Al citar otra vez el estándar de ANSI [3], tolerancia es “la cantidad total
que está permitido que una dimensión específica varíe. La tolerancia es la diferencia entre los
límites máximo y mínimo”.
Las tolerancias se especifican de modos diversos, que se ilustran en la figura 4.1. Es probable
que la más común sea la tolerancia bilateral, en la que se permite que la variación sea en las
direcciones positiva y negativa a partir de la dimensión nominal. Por ejemplo, en la figura 4.1a),
la dimensión nominal es de 2.500 unidades lineales (por ejemplo, mm, pulg), con una variación
permisible de 0.005 unidades en cualquier dirección. Las piezas que estén fuera de esos límites
son inaceptables. Es posible que una tolerancia bilateral esté desbalanceada; por ejemplo, 2.500
+0.010, –0.005 unidades. Una tolerancia unilateral es aquella en la que la variación a partir de
la dimensión especificada sólo se permite en una dirección, ya sea positiva, como en la figura
4.1b), o negativa. Las dimensiones límite son un método alternativo de especificar la variación
permisible en el tamaño de un elemento de una pieza; consisten en las dimensiones máxima y
mínima permisibles, como se aprecia en la figura 4.1c).
4.1.2
Otros atributos geométricos
Las dimensiones y tolerancias normalmente se expresan como valores lineales (longitud). Hay
otros atributos geométricos de las piezas que también son importantes, como la planicidad de una
superficie, la redondez de una flecha o agujero, el paralelismo entre dos superficies, etc. Las definiciones de estos términos se enlistan en la tabla 4.1.
4.2 Superficies
Una superficie es aquello que tiene contacto al sujetarse a un objeto tal como ocurre en una pieza
manufacturada. El diseñador especifica las dimensiones de la pieza, relacionando las distintas
superficies una con la otra. Estas superficies nominales representan el contorno relacionado con
la superficie de la pieza, y están definidas por las líneas en el plano de ingeniería. Las superficies
nominales aparecen como líneas absolutamente rectas, círculos ideales, agujeros redondos, y
80 CAPÍTULO 4
TABLA 4.1
Dimensiones, tolerancias y superficies
Definiciones de atributos geométricos de las piezas
Angularidad: Grado en que un rasgo de una pieza, como una
superficie o un eje, se encuentra con un ángulo especificado
respecto de una superficie de referencia. Si el ángulo es de
90°, entonces el atributo se llama perpendicularidad o cuadratura.
Circularidad: Para una superficie de revolución como un cilindro,
agujero o cono, la circularidad es el grado en que todos los
puntos sobre la intersección de la superficie y un plano perpendicular al eje de revolución, se encuentran equidistantes al eje.
Para una esfera, la circularidad es el grado en que todos los
puntos sobre la intersección de la superficie y un plano que pasa
por el centro están equidistantes de éste.
Concentricidad: Grado en que dos (o más) rasgos de una pieza,
como una superficie cilíndrica y un agujero circular, tienen un
eje común.
Cilindricidad: Grado en que todos los puntos sobre una superficie
de revolución, como un cilindro, están equidistantes del eje de
revolución.
Planicidad: Grado en que todos los puntos de una superficie se
encuentran en un plano único.
Paralelismo: Grado en que todos los puntos de un rasgo de una
pieza, como una superficie, una línea o un eje, están equidistantes de un plano, línea o eje de referencia.
Perpendicularidad: Grado en que todos los puntos de un rasgo de
una pieza, como una superficie, una línea o un eje, están a 90°
de un plano o línea o eje de referencia.
Redondez: Igual que circularidad.
Cuadratura: Igual que perpendicularidad.
Rectitud: Grado en que un rango de una pieza, como una línea o
un eje, es una línea recta.
Fuente: [16].
otras aristas y superficies que son perfectas en su geometría. Las superficies reales de una pieza
manufacturada están determinadas por el proceso utilizado para fabricarla. La variedad de procesos disponibles en la manufactura da como resultado variaciones amplias de las características de
la superficie, y es importante para los ingenieros entender la tecnología de las superficies.
Las superficies tienen importancia tecnológica y comercial por varias razones, diferentes
para distintas aplicaciones de los productos: 1) razones estéticas, las superficies que son tersas y
sin marcas y manchas es más probable que causen una impresión favorable en el consumidor.
2) Las superficies afectan la seguridad. 3) La fricción y el uso dependen de las características de
las superficies. 4) Las superficies afectan las propiedades mecánicas y físicas; por ejemplo, los
defectos de las superficies pueden ser puntos de concentración de esfuerzos. 5) El ensamblaje de
las piezas se ve afectado por sus superficies; por ejemplo, la resistencia de las juntas unidas con
adhesivos (véase la sección 24.3) se incrementa si las superficies tienen poca rugosidad. 6) Las
superficies suaves constituyen contactos eléctricos mejores.
La tecnología de superficies tiene que ver con 1) la definición de las características de una
superficie, 2) la textura de la superficie, 3) la integridad de la superficie y 4) la relación entre los
procesos de manufactura y las características de la superficie resultante. Los tres primeros temas
se cubren en esta sección; el tema final se presenta en la sección 4.3.
4.2.1
Características de las superficies
Una vista microscópica de la superficie de una pieza revela sus irregularidades e imperfecciones.
Los rasgos de una superficie común se ilustran en la sección transversal magnificada de la superficie de una pieza metálica, que se presenta en la figura 4.2. Aunque aquí el análisis se concentra
en las superficies metálicas, los comentarios vertidos en este texto se aplican a las cerámicas y
Textura de la superficie
FIGURA 4.2 Sección transversal magnificada de una superficie
metálica común. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing,
4a. ed., de Mikell P. Groover,
2010. Reimpreso con autorización
de John Wiley & Sons, Inc.)
Capa alterada
Sustrato
4.2
Superficies 81
polímeros, con modificaciones debidas a las diferencias en la estructura de estos materiales. El
cuerpo de la pieza, conocido como sustrato, tiene una estructura granular que depende del procesamiento previo del metal; por ejemplo, la estructura del sustrato del metal se ve afectada por
su composición química, el proceso de fundición que se usó originalmente para el metal, y cualesquiera operaciones de deformación y tratamientos térmicos llevados a cabo sobre el material
de fundición.
El exterior de la pieza es una superficie cuya topografía es todo menos recta y tersa. En la
sección transversal magnificada, la superficie tiene rugosidad, ondulaciones y defectos. Aunque
aquí no se observan, también tiene un patrón o dirección que resulta del proceso mecánico que la
produjo. Todos estos rasgos geométricos quedan incluidos en el término textura de la superficie.
Justo por debajo de la superficie se encuentra una capa de metal cuya estructura difiere de la
del sustrato. Se denomina capa alterada, y es una manifestación de las acciones que se mencionaron al hablar de la superficie, durante la creación de ésta y etapas posteriores. Los procesos de
manufactura involucran energía, por lo general en cantidades importantes, que opera sobre la
pieza, contra su superficie. La capa alterada puede resultar del endurecimiento por trabajo (energía mecánica), calor (energía térmica), tratamiento químico o incluso energía eléctrica. El metal
de esta capa resulta afectado por la aplicación de energía, y su microestructura se altera en consecuencia. Esta capa alterada cae dentro del alcance de la integridad de la superficie, que tiene
que ver con la definición, la especificación y el control de las capas de la superficie de un material
(metales, los más comunes), en la manufactura y el desempeño posterior en el uso. El alcance de
la integridad de la superficie por lo general se interpreta para incluir la textura de la superficie, así
como la capa alterada ubicada bajo ella.
Además, la mayoría de las superficies metálicas están cubiertas por una capa de óxido, si se
da el tiempo suficiente para que se forme después del procesamiento. El aluminio forma en su
superficie una capa delgada, densa y dura de Al2O3 (que sirve para proteger al sustrato de la corrosión), y el fierro forma óxidos de varias composiciones químicas sobre su superficie (el óxido,
que virtualmente no da ninguna protección). También es probable que en la superficie de la pieza
haya humedad, mugre, aceite, gases adsorbidos y otros contaminantes.
4.2.2 Textura de la superficie
La textura de la superficie consiste en las desviaciones repetitivas o aleatorias de la superficie
nominal de un objeto; la definen cuatro características: rugosidad, ondulación, orientación y defectos o fallas, como se observa en la figura 4.3. La rugosidad se refiere a las desviaciones pequeñas, espaciadas finamente, de la superficie nominal y que están determinadas por las características
del material y el proceso que formó la superficie. La ondulación se define como las desviaciones de espaciamiento mucho mayor; ocurren debido a la deflexión del trabajo, vibraciones, trataEspaciamiento de la ondulación
Dirección de la orientación
Grieta (defecto)
FIGURA 4.3 Rasgos de
la textura de una superficie.
(Crédito: Fundamentals of
Modern Manufacturing, 4a.
ed., de Mikell P. Groover,
2010. Reimpreso con autorización de John Wiley &
Sons, Inc.)
Cráter (defecto)
Altura de la ondulación
Altura de la rugosidad
Ancho de la rugosidad
C04
08/16/2011
12:54:39
82 CAPÍTULO 4
84
Page 84
Dimensiones, tolerancias y superficies
Chapter 4/Dimensions, Tolerances, and Surfaces
Símbolo
de la
orientación
Símbolo
de la
orientación
Patrón de la
superficie
Descripción
Patrón de la
superficie Descripción
La orientación es paralela a las líneas
que representan a la superficie a que
se aplica el símbolo.
La orientación es circular en relación
con el centro de la superficie para la
que se utiliza el símbolo.
La orientación es perpendicular a la
línea que representa la superficie a que
el símbolo se aplica.
La orientación es aproximadamente radial en relación con el centro de la superficie para la que se emplea el símbolo.
La orientación es angular en ambas
direcciones a la línea que representa la
superficie a que se aplica el símbolo.
La orientación es particular, no
direccional o protuberante.
FIGURA 4.4 Orientaciones posibles de una superficie. (Fuente: [1].) (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de
Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)
FIGURE 4.4 Possible lays of a surface. (Source: [1]). (Credit: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4th Edition by
miento térmico
y factoresofsimilares.
La &
rugosidad
está sobreimpuesta a la ondulación. La orienMikell P. Groover, 2010. Reprinted
with permission
John Wiley
Sons, Inc.)
tación es la dirección predominante o patrón de la textura de la superficie. Está determinada por
el occur
métodobecause
de manufactura
paravibration,
crear a la heat
superficie,
por loand
general
a partir
de laRoughacción
of work utilizado
deflection,
treatment,
similar
factors.
deness
una herramienta
de corte.
la figura Lay
4.4 seis ilustran
la mayoría de
las orientaciones
posibles
is superimposed
on En
waviness.
the predominant
direction
or pattern
of the
que
puede texture.
haber en It
una
superficie, junto
conmanufacturing
el símbolo que utiliza
el used
diseñador
para especificarsurface
is determined
by the
method
to create
the surface,
las.usually
Por último,
sona irregularidades
que ocurren
en formamost
ocasional
la superficie;
fromlos
thedefectos
action of
cutting tool. Figure
4.4 presents
of theenpossible
lays a
incluyen
ralladuras,
inclusiones
otros defectos
similares.
Aunque
algunosthem.
de losFinally,
defecsurfacegrietas,
can take,
together
with theysymbol
used by
a designer
to specify
tosflaws
se relacionan
con la textura
la superficie
tambiénon
afectan
su integridad
la sección
are irregularities
thatdeoccur
occasionally
the surface;
these(véase
include
cracks,
4.2.3).
scratches, inclusions, and similar defects in the surface. Although some of the flaws relate
to surfacedetexture,
they also
affect de
surface
integrity La
(Section
4.2.3).
Rugosidad
la superficie
y acabado
la superficie
rugosidad
de una superficie es una
característica mensurable, con base en las desviaciones de la rugosidad según se definió antes. El
Surface
and
Surfacemás
Finish
Surface
roughness
is a measurable
characacabado
de Roughness
la superficie es
un término
subjetivo
que denota
la suavidad
y calidad general
de
teristic
based
on
the
roughness
deviations
defined
above.
Surface
finish
is
a
more
una superficie. En el habla popular, es frecuente utilizar el acabado superficial o de la superficie
subjective
term
denoting
smoothness and general quality of a surface. In popular usage,
como
sinónimo
de su
rugosidad.
surface
finish
is
often
used
as comúnmente
a synonym for
roughness.
La medida que se emplea más
parasurface
la textura
de una superficie es su rugosidad.
The
most
commonly
used
measure
of
surface
texture
roughness.
With
Respecto a la figura 4.5, la rugosidad de la superficie se define comoiselsurface
promedio
de las desviarespect
to Figure
4.5,desurface
roughness
canenbeuna
defined
as especificada
the averagedeoflathe
vertical
ciones
verticales
a partir
la superficie
nominal,
longitud
superficie.
the un
nominal
surface
over(AA),
a specified
length.absolutos
An arithmetic
Pordeviations
lo general from
se utiliza
promedio
aritmético
con basesurface
en los valores
de las
average (AA)
is generally
basedseon
the absolute
valuesde
ofrugosidad
the deviations,
and this
desviaciones,
y este
valor de laused,
rugosidad
conoce
con el nombre
promedio.
En
roughness
valueesis referred to by the name average roughness. In equation form,
forma
de ecuación,
Ra ¼
ZLm
0
jyj
dx (4.1)
(4.1)
Lm
donde Ra = media aritmética de la rugosidad, m (pulg); y es la desviación vertical a partir de la
where Ra ¼ arithmetic mean value of roughness, m (in); y ¼ the vertical deviation from
superficie nominal (convertida a valor absoluto), m (pulg), y Lm es la distancia especificada en
nominal surface (converted to absolute value), m (in); and Lm ¼ the specified distance
FIGURE 4.5
Deviations
FIGURA 4.5 Desviaciofrom nominal surface
nes de la superficie nominal
used
in the
of
que
se usan
endefinition
la definición
surface
roughness.
de rugosidad de una superfi(Credit:
Fundamentals
cie.
(Crédito:
Fundamentalsof
Modern
Manufacturing,
of Modern Manufacturing,
4thed.,
Edition
by Mikell
P.
4a.
de Mikell
P. GrooGroover,
2010. Reprinted
ver,
2010. Reimpreso
con
with permission
John
autorización
de JohnofWiley
&Wiley
Sons,&Inc.)
Sons, Inc.)
y
Desviaciones
verticales
(yi)
Superficie real
Superficie nominal
x
Lm
C04
08/16/2011
12:54:42
Page 85
4.2
Superficies 83
Section 4.2/Surfaces
63
32
0.002-0.5
0.030
Ancho de la
ondulación máxima
Altura de la
ondulación
máxima
0.010
a)
Ra máxima
Ra mínima
85
63
32
0.002-0.5
0.030
0.010
Longitud de corte
Símbolo de orientación
Espaciamiento máximo
de la rugosidad
b)
FIGURA 4.6 Símbolos para la textura de la superficie en los planos de ingeniería: a) el símbolo y b)
FIGURE 4.6 Surface
texture
symbols
in engineering
drawings:
thedados
symbol,
and (b) symbol
with
símbolo con
leyendas
de identificación.
Los valores
de Ra (a)
están
en micropulgadas;
las unidades
para
identification labels.
Values ofse
Radan
areengiven
in microinches;
units
for other
measures
arelos
given
in inches.
otras mediciones
pulgadas.
Los diseñadores
no siempre
especifican
todos
parámetros
en los
planos
de ingeniería.
(Crédito:
of Modern
Manufacturing,
4a.(Credit:
ed., de Mikell
P. Groover,of
Designers do not
always
specify all
of the Fundamentals
parameters on
engineering
drawings.
Fundamentals
2010. Reimpreso
con autorización
de Groover,
John Wiley2010.
& Sons,
Inc.)
by Mikell P.
Reprinted
with permission of John Wiley &
Modern Manufacturing,
4th Edition
Sons, Inc.)
laover
que se
miden
lassurface
desviaciones
de la are
superficie.
QuizáAn
seaapproximation
más fácil de entender
aproximawhich
the
deviations
measured.
of Eq. una
(4.1),
perhaps
ción
de
la
ecuación
(4.1),
dada
por
easier to comprehend, is given by
n
X
jyi j
(4.2)
Ra ¼
(4.2)
n
i¼1
donde Ra tiene el mismo significado que antes; yi son las desviaciones verticales convertidas a
where Ra has the same meaning as above; yi ¼ vertical deviations converted to absolute
valor absoluto e identificadas por el subíndice i, m (pulg), y n es el número de desviaciones invalue and identified by the subscript i, m (in); and n ¼ the number of deviations included
cluidas en Lm. Las unidades en estas ecuaciones son metros y pulgadas. En realidad, la escala de
in Lm. The units in these equations are meters and inches. In fact, the scale of the deviations
las desviaciones
es muy pequeña, por lo que las unidades más apropiadas
son μm (μm = m ×
is–6very small,–3so more appropriate units are
mm (mm ¼ m � 10–6 ¼ mm � 10–3) or m-in
10 = mm × 10 ) o μpulg
(μpulg = pulg × 10–6). Éstas son las unidades de uso más común para
–6
(m-in ¼ inch � 10 ). These are the units commonly used to express surface roughness.
expresar la rugosidad de una superficie.
Surface roughness suffers the same kinds of deficiencies of any single measure used
La rugosidad de la superficie tiene la misma clase de deficiencias que cualquier medida que
to assess a complex physical attribute. For example, it fails to account for the lay of the
se use para evaluar un atributo físico complejo. Por ejemplo, falla para tomar en cuenta las oriensurface pattern; thus, surface roughness may vary significantly depending on the direction
taciones del patrón superficial; así, la rugosidad de la superficie varía en forma significativa, en
in which it is measured.
función de la dirección en que se mida.
Another deficiency is that waviness can be included in the R computation. To deal
Otra deficiencia es que la ondulación queda incluida en el cálculoa de Ra. Para evitar este
with this problem, a parameter called the cutoff length is used as a filter that
separates the
problema se emplea un parámetro denominado longitud de corte, que se usa como un filtro que
waviness in a measured surface from the roughness deviations. In effect, the cutoff length is
separa la ondulación de una superficie medida de las desviaciones de la rugosidad. En realidad,
a sampling distance along the surface. A sampling distance shorter than the waviness width
la longitud de corte es una distancia muestral a lo largo de la superficie. Una distancia muestral
will eliminate the vertical deviations associated with waviness and only include those
más corta que el ancho de la ondulación eliminará las desviaciones verticales asociadas con ésta
associated with roughness. The most common cutoff length used in practice is 0.8 mm
y sólo incluirá aquellas que se relacionan con la rugosidad. En la práctica, la longitud de corte
(0.030 in). The measuring length L is normally set at about five times the cutoff length.
más común es 0.8 mm (0.030 pulg). La m
longitud de medición Lm se establece normalmente como
The limitations of surface roughness have motivated
the development of additional
de cinco veces la longitud de corte.
measures
that
more
completely
describe
the
topography
of
a
surface.
measures
Las limitaciones de la rugosidad de la superficie han motivadogiven
la creación
de These
medidas
adicioinclude
three-dimensional
graphical
renderings
of
the
surface,
as
described
in
[17].
nales que describan en forma más completa la topografía de una superficie dada. Estas mediciones
incluyen salidas gráficas tridimensionales de la superficie, como se describe en la referencia [17].
Symbols for Surface Texture Designers specify surface texture on an engineering
Símbolos
la textura
de la superficie
la textura
la superdrawing para
by means
of symbols
as in FigureLos
4.6.diseñadores
The symbolespecifican
to designate
surfacede
texture
is a
ficie
en unmark
plano(looks
de ingeniería,
medio
de símbolos
como
los queasse indicated
ven en la figura
4.6. El
check
like a por
square
root
sign), with
entries
for average
símbolo
que designa
los parámetros
la textura
de unaroughness
superficie es
una marca
revisión (se
roughness,
waviness,
cutoff, lay,deand
maximum
spacing.
Thedesymbols
for
parece
al símbolo
de la raíz
lay are
from Figure
4.4.cuadrada), con acotaciones para la rugosidad promedio, ondulación,
corte, orientaciones y espaciamiento máximo de la rugosidad. Los símbolos para las orientaciones están tomados de la figura 4.4.
4.2.3 SURFACE INTEGRITY
4.2.3
texture alone does not completely describe a surface. There may be metallurgical
Integridad deSurface
la superficie
or other changes in the material immediately beneath the surface that can have a
La textura de la superficie por sí sola no describe por completo una superficie. En el material
puede haber cambios metalúrgicos o de otra clase inmediatamente debajo de la superficie, que
84 CAPÍTULO 4
Dimensiones, tolerancias y superficies
pueden tener un efecto significativo sobre las propiedades mecánicas. La integridad de la superficie es el estudio y control de esta capa subsuperficial y cualesquiera cambios debido al procesamiento que influyan en el desempeño de la pieza o producto terminado. Ya antes se hizo referencia a esta capa subsuperficial como la capa alterada cuando su estructura difiere de la del sustrato,
como se ilustra en la figura 4.2.
Existe una variedad de posibles alteraciones y daños a la capa superficial que pueden ocurrir
durante la manufactura. Los cambios superficiales son ocasionados por la aplicación de distintas
formas de energía durante el procesamiento: mecánica, térmica, química y eléctrica. La energía
mecánica es la más común que se utiliza en la manufactura; se aplica contra el material de trabajo en operaciones como la de dar forma a un metal (por ejemplo, forjado, extrusión), prensado y
maquinado. Aunque la función primaria en esos procesos consiste en cambiar la geometría de la
pieza que se trabaja, la energía mecánica también ocasiona esfuerzos residuales, endurecimiento
por trabajo y grietas en las capas de la superficie.
4.3
Efecto de los procesos de manufactura
La capacidad de lograr cierta tolerancia o superficie es una función del proceso de manufactura.
En esta sección se describen las capacidades generales de distintos procesos en términos de la
tolerancia y la rugosidad de la superficie.
Ciertos procesos de manufactura son inherentemente más exactos que otros. La mayoría de
procesos de maquinado son muy exactos, capaces de alcanzar tolerancias de ±0.05 mm (±0.002
pulg) o mejores. Por el contrario, las fundiciones con arena por lo general son inexactas y deben
especificarse tolerancias de 10 a 20 veces las que se utilizan para piezas maquinadas. En la tabla
4.2 se lista una variedad de procesos de manufactura y se indican las tolerancias comunes para
cada proceso. Las tolerancias se basan en la capacidad de los procesos para la operación particular de manufactura, como se define en la sección 30.2. La tolerancia que debe especificarse es
función del tamaño de la pieza; entre más grandes sean las piezas, requieren tolerancias más generosas. En la tabla se enlistan los valores comunes de tolerancia para piezas de tamaño moderado en cada categoría de procesamiento.
El proceso de manufactura determina el acabado de la superficie y la integridad de ésta. Algunos procesos son más capaces que otros de producir superficies mejores. En general, el costo
del procesamiento se incrementa con la mejora del acabado de la superficie. Esto se debe a que
para obtener superficies cada vez mejores por lo general se requieren operaciones adicionales y
TABLA 4.2 Límites comunes de tolerancia, con base en la capacidad de varios procesos de manufacturaa
(véase la sección 30.2)
Proceso
Fundición con arena
Hierro colado
Acero
Aluminio
Fundición con molde
Moldeo de plásticos:
Polietileno
Poliestireno
Maquinado:
Barrenado, 6 mm (0.25 pulg)
Fresado
Torneado
Tolerancia común mm (pulg)
±1.3 (±0.050)
±1.5 (±0.060)
±0.5 (±0.020)
±0.12 (±0.005)
±0.3 (±0.010)
±0.15 (±0.006)
+0.08/–0.03
(.0.003/–0.001)
±0.08 (±0.003)
±0.05 (±0.002)
Proceso
Procesos abrasivos:
Esmerilado
Rectificado
Bruñido
Procesos no tradicionales
y térmicos:
Maquinado químico
Descarga eléctrica
Rectificado electroquímico
Maquinado electroquímico
Corte con haz de electrones
Corte con haz de láser
Corte con arco de plasma
Tolerancia común mm (pulg)
±0.008 (±0.0003)
±0.005 (±0.0002)
±0.005 (±0.0002)
±0.08 (±0.003)
±0.025 (±0.001)
±0.025 (±0.001)
±0.05 (±0.002)
±0.08 (±0.003)
±0.08 (±0.003)
±1.3 (±0.050)
a Recopilado de [4], [7] y de otras fuentes. Para cada categoría de proceso, las tolerancias varían dependiendo de los parámetros de éste. Asimismo, las
tolerancias aumentan con el tamaño de la pieza.
Referencias 85
TABLA 4.3
Valores de rugosidad superficial producidos por distintos procesos de manufacturaa
Proceso
Fundición:
Fundición con molde
Fundición con revestimiento
Fundición con arena
Formado de metales:
Laminado en frío
Corte de lámina metálica
Extrusión en frío
Laminado en caliente
Maquinado:
Perforado
Barrenado
Fresado
Planeado
Escariado y perfilado
Aserrado
Torneado
Rango de
Acabado común rugosidadb
Bueno
1-2 (30-65)
Bueno
Malo
1.5-3 (50-100)
12-25 (500-1 000)
Bueno
Bueno
Bueno
Malo
1-3 (25-125)
1-3 (25-125)
1-4 (30-150)
12-25 (500-1 000)
Bueno
Medio
Bueno
Bueno
Medio
Malo
Bueno
0.5-6 (15-250)
1.5-6 (60-250)
1-6 (30-250)
1-3 (30-125)
1.5-12 (60-500)
3-25 (100-1 000)
0.5-6 (15-250)
Proceso
Abrasivos:
Esmerilado
Rectificado
Bruñido
Pulido
Superacabado
No tradicionales:
Fresado químico
Electroquímico
Descarga eléctrica
Haz de electrones
Haz de láser
Térmico:
Soldadura por arco
Corte con llama
Corte con arco de
plasma
Rango de
Acabado común rugosidadb
Muy bueno
Muy bueno
Excelente
Excelente
Excelente
0.1-2 (5-75)
0.1-1 (4-30)
0.05-0.5 (2-15)
0.1-0.5 (5-15)
0.02-0.3 (1-10)
Medio
Bueno
Medio
Medio
Medio
1.5-5 (50-200)
0.2-2 (10-100)
1.5-15 (50-500)
1.5-15 (50-500)
1.5-15 (50-500)
Malo
Malo
5-25 (250-1000)
12-25 (500-1 000)
Malo
12-25 (500-1 000)
a
Recopilado a partir de [1], [2] y de otras fuentes.
El rango de los valores de rugosidad está dado en μm (μpulg). La rugosidad puede variar de manera significativa para un proceso dado en función de los
parámetros del proceso.
b
más tiempo. Los procesos específicos para proveer acabados superiores incluyen el bruñido, el
rectificado, el pulido y el superacabado (véase el capítulo 18). En la tabla 4.3 se indica la rugosidad superficial usual que se espera de varios procesos de manufactura.
Referencias
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Sheffield Measurement, a Cross & Trecker Company, Surface Texture and Roundness Measurement Handbook, Dayton, Ohio, 1991.
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86 CAPÍTULO 4
Dimensiones, tolerancias y superficies
Preguntas de repaso
4.1. ¿Qué es tolerancia?
4.2. ¿Cuál es la diferencia entre una tolerancia bilateral y una
tolerancia unilateral?
4.3. ¿Qué es la exactitud en las mediciones?
4.4. ¿Qué es la precisión en las mediciones?
4.5. ¿Cuáles son algunas de las razones por las que son importantes las superficies?
4.6. Defina superficie nominal.
4.7. Defina la textura de una superficie.
4.8. ¿En qué se diferencia la textura de una superficie de la integridad de ésta?
4.9. En el ámbito de la textura de la superficie, ¿cómo se distingue la rugosidad de la ondulación?
4.10. La rugosidad de una superficie es un aspecto mensurable de
su textura; ¿qué significa rugosidad de la superficie?
4.11. Indique algunas de las limitaciones del empleo de la rugosidad de la superficie como medida de la textura de ésta.
4.12. ¿Qué es lo que ocasiona los distintos tipos de cambio que
ocurren en una capa alterada, justo debajo de la superficie?
4.13. Mencione algunos procesos de la manufactura que produzcan acabados de la superficie muy deficientes.
4.14. Cite algunos procesos de manufactura que produzcan acabados de la superficie muy buenos o excelentes.
APÉNDICE A4:
Medición de dimensiones
y superficies
La medición es un procedimiento en el cual se compara una cantidad desconocida con un estándar conocido, usando un sistema de unidades aceptado y consistente. En el mundo han evolucionado dos sistemas de unidades: 1) el sistema de uso común en Estados Unidos (USCS, por sus
siglas en inglés) y 2) el Sistema Internacional de Unidades (o SI), que se conoce popularmente
como el sistema métrico. El sistema métrico se utiliza ampliamente en casi cualquier parte del
mundo industrializado excepto en Estados Unidos, que se ha apegado de manera obstinada a su
USCS. Gradualmente, Estados Unidos también está adoptando el SI.
La medición proporciona un valor numérico de la cantidad de interés, dentro de ciertos límites de exactitud y precisión. La exactitud es el grado en el que un valor medido coincide con el
valor verdadero de la cantidad de interés. Un procedimiento de medición es exacto cuando no
tiene errores sistemáticos, los cuales son desviaciones positivas o negativas del valor verdadero
que son consistentes de una medición a la siguiente. La precisión es el grado en el que se puede
repetir el proceso de medición. Una buena precisión significa que se reducen al mínimo los errores aleatorios en el procedimiento de medición. Por lo general, los errores aleatorios se asocian
con la participación humana en el proceso de medición. Entre los ejemplos están las variaciones
en la preparación, la lectura imprecisa de la escala, las aproximaciones redondeadas, etc. Entre
los componentes no humanos que contribuyen al error aleatorio están los cambios de temperatura, el desgaste gradual y/o el desajuste en los elementos funcionales de los dispositivos y otras
variantes.
A4.1 Instrumentos de medición y calibradores convencionales
En esta sección del apéndice se consideran los diversos dispositivos de medición que se operan
en forma manual y que se usan para evaluar dimensiones como longitud, profundidad y diámetro,
así como características como ángulos, rectitud y redondez. Estos tipos de equipo se encuentran
en los laboratorios de metrología, los departamentos de inspección y las salas de herramientas. El
tema inicial lógico son los bloques calibradores de precisión.
A4.1.1
Bloques calibradores de precisión
Los bloques de calibradores de precisión son los estándares contra los que se comparan otros
instrumentos de medición y calibradores de dimensión. Por lo general, los bloques de calibración
tienen forma cuadrada o rectangular. Las superficies de medición tienen un acabado considerado
dimensionalmente exacto y paralelo hasta dentro de varias millonésimas de una pulgada y pulidos con un acabado tipo espejo. Existen diversos grados de bloques de calibración de precisión,
con tolerancias más estrechas para grados de precisión más altos. El grado más alto, el estándar
maestro de laboratorio, está hecho a una tolerancia de ±0.000,03 mm (±0.000,001 pulg). Dependiendo del grado de dureza y del precio que el usuario esté dispuesto a pagar, los bloques de calibración pueden hacerse de varios materiales duros, entre los que se encuentran el acero para
herramienta, el acero chapeado con cromo, el carburo de cromo o el carburo de tungsteno.
Existen bloques de calibración de precisión disponibles en ciertos tamaños estándares o en
juegos, que contienen diversos bloques de tamaños distintos. Los tamaños en un conjunto se determinan en forma sistemática para que puedan apilarse con el propósito de obtener virtualmente
cualquier dimensión deseada dentro de 0.0025 mm (0.0001 pulg).
88 CAPÍTULO 4
Dimensiones, tolerancias y superficies
Para mejores resultados, los bloques de calibración deben usarse sobre una superficie plana
de referencia, como una placa superficial. Una placa superficial es un bloque sólido y grande
cuya superficie superior tiene un acabado totalmente plano. Casi todas las placas de superficie
actuales están hechas de granito. El granito tiene la ventaja de ser duro, no oxidarse, no ser magnético, desgastarse con lentitud, es térmicamente estable y fácil de mantener.
Los bloques de calibración y otros instrumentos de alta precisión deben usarse en condiciones de temperatura estándar y otros factores que podrían afectar adversamente la medición. Por
acuerdo internacional, se ha establecido que la temperatura estándar es de 20 °C (68 °F). Los
laboratorios de metrología funcionan en este estándar. Si se usan bloques de calibración u otros
instrumentos de medición en un ambiente de fábrica, donde la temperatura difiere de este estándar, se requieren correcciones para la expansión o contracción térmicas. Asimismo, los bloques
de calibración funcionales que se usan para inspección en el taller están sujetos al desgaste y
deben calibrarse periódicamente contra bloques de calibración de laboratorio más precisos.
A4.1.2
Instrumentos de medición para dimensiones lineales
Los instrumentos de medición se dividen en dos puntos: graduados y no graduados. Los dispositivos de medición graduados incluyen un conjunto de marcadores (llamados graduaciones) sobre una escala lineal o angular, contra la cual puede compararse la característica de interés del
objeto. Los dispositivos de medición no graduados no poseen tal escala y se usan para hacer
comparaciones entre las dimensiones o para transferir una dimensión y efectuar su medición
mediante un dispositivo graduado.
El más básico de los dispositivos de medición graduados es la regla (hecha de acero y con
frecuencia llamada una regla de acero), que se usa para medir dimensiones lineales. Las reglas
están disponibles en diversas longitudes. Las longitudes métricas incluyen 150, 300, 600 y 1 000
mm, con graduaciones de 1 o 0.5 mm, los tamaños comunes en Estados Unidos son 6, 12 y 24
pulg, con graduaciones de 1/32, 1/64 o 1/100 pulg.
Existen calibradores en estilo graduado y no graduado. Un calibrador no graduado (que se
conoce simplemente como calibrador) consta de dos patas unidas mediante un mecanismo articu­
lado, como se muestra en la figura A4.1. Los extremos de las patas están hechos para entrar en
contacto con las superficies del objeto que se mide y la articulación está diseñada para sostener
las patas en posición durante el uso. Los contactos apuntan hacia adentro o hacia afuera. Cuando
FIGURA A4.1 Dos tamaños de calibradores externos. (Cortesía
de L. S. Starrett Co.) (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)
FIGURA A4.2 Calibrador deslizable; se muestran ambos
lados del instrumento. (Cortesía de L. S. Starrett Co.) (Crédito:
Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P.
Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley &
Sons, Inc.)
A4.1
FIGURA A4.3 Calibrador vernier. (Cortesía de L. S. Starrett
Co.) (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de
Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)
Instrumentos de medición y calibradores convencionales 89
FIGURA A4.4 Micrómetro externo, tamaño estándar de una
pulgada con lectura digital. (Cortesía de L. S. Starrett Co.) (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell
P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley &
Sons, Inc.)
apuntan hacia adentro, como en la figura A4.1, el instrumento se denomina un calibrador externo
y se usa para medir dimensiones externas como un diámetro. Cuando los contactos apuntan hacia
afuera, se denomina un calibrador interno, el cual se usa para medir la distancia entre dos superficies internas. Un instrumento similar a la configuración del calibrador es el compás divisor,
excepto que ambas piernas son rectas y terminan en contactos duros con puntas agudas. Los divisores se usan para establecer distancias en escala entre dos puntos o líneas sobre una superficie
y para inscribir círculos o arcos sobre una superficie.
Existen diversos calibradores graduados para diferentes propósitos de medición. El más simple es el calibrador deslizable, una regla de acero a la cual se le añaden dos quijadas, una fija en
un extremo de la regla y la otra móvil, como se muestra en la figura A4.2. Los calibradores deslizables se usan para mediciones internas o externas, dependiendo si se usan las caras internas o
externas de la quijada. Para usarlo, las quijadas se ponen en contacto con las superficies de las
piezas que se van a medir y la posición de la quijada móvil indica la dimensión de interés. Los
calibradores deslizables permiten mediciones más precisas y exactas que las reglas simples. Un
refinamiento del calibrador deslizable es el calibrador vernier, que se muestra en la figura A4.3.
En este dispositivo, la quijada móvil incluye una escala de vernier, llamada así en honor de P. Vernier (1580-1637), el matemático francés que la inventó. El vernier proporciona graduaciones de 0.01 mm en el SI (y 0.001 pulgadas en la escala de
uso común en Estados Unidos), mucho más preciso que el calibrador deslizable.
El micrómetro se usa ampliamente y es un dispositivo de
medición muy exacto, su forma más común consiste en un husillo y en un yunque en forma de C, como se muestra en la figura A4.4. El mango se mueve en relación con el yunque fijo
mediante una rosca de tornillo exacta. En un micrómetro común en USCS cada rotación del mango proporciona 0.025 pulg
de viaje lineal. A cada eje se conecta un manguito graduado
con 25 marcas alrededor de su circunferencia; cada marca corresponde a 0.001 pulg. Por lo general, la manga del micrómeFIGURA A4.5 Indicador de carátula: la vista derecha muestra
tro está equipada con un vernier, el cual permite resoluciones
la carátula y la cara graduada; la vista izquierda muestra la parte
tan estrechas como 0.0001 pulg. En un micrómetro con una
posterior del instrumento sin la placa que la cubre. (Cortesía de
Federal Products Co., Providence, RI.) (Crédito: Fundamentals of escala métrica, las graduaciones son de 0.01 mm. Los micrómetros (y calibradores graduados) modernos están disponibles
Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010.
con dispositivos electrónicos que despliegan una lectura digital
Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)
90 CAPÍTULO 4
Dimensiones, tolerancias y superficies
de la medición (como en la figura). Estos instrumentos son más fáciles de leer y eliminan mucho
del error humano asociado con la lectura en los dispositivos graduados convencionales.
Los tipos de micrómetro más comunes son: 1) el micrómetro externo, figura A4.4, también
llamado micrómetro exterior, que se fabrica con diversos tamaños estándar de yunque; 2) el
micrómetro interno, o micrómetro interior, que consiste en un ensamble de cabeza y un conjunto de varillas de diferentes longitudes para medir dimensiones exteriores que pudieran encontrarse, y 3) micrómetro de profundidad, similar a un micrómetro interno pero adaptado para medir
profundidades de orificios.
A4.1.3
Instrumentos comparativos
Los instrumentos comparativos se usan para confrontar las dimensiones entre dos objetos, como
una pieza de trabajo y una superficie de referencia. En general, no son capaces de proporcionar una
medición absoluta de la cantidad que interesa; en lugar de eso, miden la magnitud y dirección de
la desviación entre dos objetos. Entre los instrumentos que se encuentran en esta categoría están
los calibradores mecánicos y electrónicos.
Los calibradores mecánicos están diseñados para magnificar en forma mecánica la desviación, para permitir la observación. El instrumento más común en esta categoría es el indicador de carátula (figura A4.5), que convierte y magnifica el movimiento lineal de un apuntador de contacto en la rotación de una aguja de carátula. La
carátula se gradúa en unidades pequeñas como 0.01 mm (0.001 pulg). Los indicadores de carátula se usan en muchas aplicaciones para medir rectitud, planicie, paralelismo, cuadratura, redondez y medidas exteriores. En la figura A4.6 se muestra una preparación típica para una medición
exterior.
Calibradores mecánicos: indicadores de carátula
Calibradores electrónicos Los calibradores electrónicos son una familia de instrumentos de
medición y calibración, basados en transductores, capaces de convertir un desplazamiento lineal
en una señal eléctrica, que se amplifica y transforma en un formato de datos conveniente, como
la lectura digital que se muestra en la figura A4.4. En años recientes se han incrementado rápidamente las aplicaciones de los calibradores, conducidas por avances en la tecnología de microprocesadores. Están sustituyendo en forma gradual a muchos de los dispositivos de medición y
calibración convencionales. Entre las ventajas de los calibradores electrónicos están 1) buena
sensibilidad, exactitud, precisión, repetitividad y velocidad de respuesta; 2) capacidad para medir
dimensiones muy pequeñas, hasta de 0.025 µm (1 µpulg); 3) facilidad de operación; 4) reducción
de errores humanos; 5) despliegue de la señal electrónica en diversos formatos, y 6) capacidad de
interconexión con sistemas de computadoras para procesamiento de datos.
Indicador de carátula
Contacto
Pieza cilíndrica
Centro
Placa
superficial
FIGURA A4.6 Preparación de indicador de carátula, para medir
una pieza externa; conforme la pieza gira alrededor de su centro, las
variaciones en la superficie exterior en relación con el centro se indican en la carátula.
FIGURA A4.7 Transportador con bisel y escala de vernier.
(Cortesía de L. S. Starrett Co.) (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)
A4.2
A4.1.4
Mediciones de superficies 91
Mediciones angulares
Los ángulos se miden usando alguno de los diversos estilos de transportadores. Un transportador
simple consta de una hoja que se mueve como pivote en relación con una cabeza semicircular graduada en unidades angulares (por ejemplo, grados o radianes). Para usarlo, la hoja se gira a la posición que corresponde al ángulo de la pieza que se va a medir y éste se mide hacia adelante en escala angular. Un transportador con bisel (figura A4.7) tiene dos hojas rectas que funcionan como
pivotes, una en relación con la otra. El ensamble de pivote tiene una escala de transportador que
permite leer el ángulo formado por las hojas. Cuando está equipado con un vernier, el transportador
con bisel puede leer alrededor de cinco minutos; sin un vernier, la resolución es de sólo un grado.
A4.2 Mediciones de superficies
Las superficies constan de dos características principales: 1) textura de la superficie y 2) integridad de la superficie. En esta sección se analizará la medición de estas dos características.
A4.2.1
Medición de la rugosidad de la superficie
Se usan diversos métodos para evaluar la rugosidad de la superficie. Se dividen en tres categorías:
1) comparación subjetiva con superficies de prueba estándar, 2) instrumentos electrónicos de
aguja y 3) técnicas ópticas.
Superficies de prueba estándar Existen bloques estándar de acabado superficial, producidos
para valores de rugosidad especificados.1 Para estimar la rugosidad de un espécimen de prueba
determinado, la superficie se compara con el estándar tanto en forma visual como mediante la
“prueba de uña”. En esta prueba, el usuario rasca suavemente las superficies del espécimen y el
estándar, y determina qué estándar se acerca más al espécimen. Las superficies de prueba estándar son una forma conveniente para que un operador de máquinas obtenga un estimado de una
rugosidad superficial. También son útiles para los ingenieros de diseño, con el propósito de juzgar qué valor de rugosidad de superficie debe especificar en el dibujo de una pieza.
Instrumentos de aguja La prueba de uña es subjetiva. Existen a la venta otros instrumentos tipo
punzón para medir la rugosidad superficial, similares a la prueba de uña, pero con un enfoque más
científico. En estos dispositivos electrónicos se mueve una aguja de diamante cónica, cuyo radio de
punta mide alrededor de 0.005 mm (0.0002 pulg) y el ángulo en la punta es de 90°, a través de la
superficie de prueba a una velocidad lenta constante. La operación se muestra en la figura A4.8.
Conforme la cabeza de la aguja se mueve en forma horizontal, también se desplaza en forma vertical para seguir las desviaciones de la superficie. El movimiento vertical se convierte en una señal
electrónica que representa la topografía de la superficie. Esto se despliega como un perfil de la superficie real, o bien como un valor de rugosidad promedio. Los dispositivos para perfilar usan un
plano separado como la referencia nominal contra la cual se miden las desviaciones. El resultado es
una retícula del contorno de la superficie a lo largo de la línea que recorre la aguja. Este tipo de
sistema identifica tanto la aspereza como la ondulación en la superficie de prueba. Los dispositivos
para promediar reducen las desviaciones de rugosidad a un valor único Ra. Usan movimiento de
correderas sobre la superficie real para establecer el plano de referencia nominal. Las correderas
funcionan como un filtro mecánico para reducir el efecto de la ondulación en la superficie; en efecto, estos dispositivos para promediar realizan en forma electrónica los cálculos de la ecuación (4.1).
La mayoría de los otros instrumentos de medición de superficies emplean
técnicas ópticas para valorar la rugosidad. Estas técnicas se basan en la reflexión de la luz desde
la superficie, la dispersión o difusión de la luz y la tecnología láser. Son útiles en aplicaciones
Técnicas ópticas
1
En USCS, estos bloques tienen superficies con valores de rugosidad de 2, 4, 8, 16, 32, 64 y 128 micropulgadas.
92 CAPÍTULO 4
Dimensiones, tolerancias y superficies
Dirección del recorrido
Movimiento
vertical de
la aguja
Cabeza de la aguja
Aguja
Pieza de trabajo
FIGURA A4.8 Bosquejo que muestra la operación de un instrumento tipo aguja. La cabeza de la aguja
recorre en forma horizontal la superficie, mientras que la aguja se mueve en forma vertical para seguir el
perfil de la superficie. El movimiento vertical se convierte en: 1) un perfil de la superficie o 2) el valor de
la rugosidad promedio. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover,
2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)
donde no es conveniente el contacto del punzón con la superficie. Algunas de las técnicas permiten una velocidad de operación muy alta, por lo que posibilitan una inspección al 100%. Sin
embargo, las técnicas ópticas producen valores que no siempre se correlacionan bien con las
mediciones de rugosidad hechas con instrumentos tipo aguja.
A4.2.2
Evaluación de la integridad de la superficie
La integridad de la superficie es más difícil de valorar que la rugosidad de la superficie. Algunas
de las técnicas para inspeccionar los cambios de la subsuperficie destruyen el espécimen de material. Entre las técnicas de evaluación para la integridad de la superficie están las siguientes:
• Textura de la superficie. La rugosidad de la superficie, la descripción de la capa y otras
medidas proporcionan datos superficiales sobre la integridad de la superficie. Este tipo de
prueba es relativamente simple de realizar y siempre se incluye en la evaluación de la integridad de la superficie.
• Examen visual. El examen visual revela diversos defectos superficiales como resquebrajaduras, cráteres, pliegues y arrugas. Este tipo de evaluación se amplifica con frecuencia mediante técnicas fluorescentes y fotográficas.
• Examen microestructural. Esto implica técnicas metalográficas estándar para preparar secciones transversales y obtener fotomicrografías en las que se examina la microestructura de
las capas superficiales, comparadas con el sustrato.
• Perfil de microdureza. Las diferencias de dureza cerca de la superficie se detectan usando
técnicas de medición de microdureza, como la de Knoop y Vickers (sección 3.2.1). Se secciona la pieza y se hace una gráfica de la dureza contra la distancia bajo la superficie para
obtener un perfil de dureza de la sección transversal.
• Perfil de esfuerzo residual. Se emplean técnicas de difracción de rayos X para medir los
esfuerzos residuales en las capas de la superficie de una pieza.
PARTE II
Procesos de solidificación
5
Fundamentos de la
fundición de metales
CONTENIDO DEL CAPÍTULO
5.1
5.2
Panorama de la tecnología de fundición
5.1.1 Procesos de fundición
5.1.2 Moldes para fundición en arena
Calentamiento y vertido
5.2.1 Calentamiento del metal
5.2.2 Vertido del metal fundido
5.2.3 Análisis de ingeniería del vertido
5.3
Solidificación y enfriamiento
5.3.1 Solidificación de los metales
5.3.2 Tiempo de solidificación
5.3.3 Contracción
5.3.4 Solidificación direccional
5.3.5 Diseño de la mazarota
En esta parte del libro se estudian aquellos procesos de manufactura en los que el material
de inicio se encuentra en forma líquida o en condición muy plástica, y se crea un objeto a través de
su solidificación. Los procesos de fundición y moldeo dominan esta categoría de operaciones
de conformación. Los procesos de solidificación se clasifican de acuerdo con el material de
ingeniería que se procesa: 1) metales, 2) cerámicos, en específico vidrios,1 y 3) polímeros y compuestos de matriz de polímero (PMC, por sus siglas en inglés). En este capítulo y el siguiente se
cubre la fundición de metales. El trabajo del vidrio se estudia en el capítulo 7 y el procesamiento
de polímeros y PMC se tratan en los capítulos 8 y 9.
La fundición es un proceso en el que metal derretido fluye por gravedad u otra fuerza hacia
un molde en el que se solidifica con la forma de la cavidad de éste. El término fundición también
se aplica al objeto que se fabrica por medio de este proceso. Es uno de los procesos más antiguos
de conformación, pues se remonta a hace 6 000 años. El principio de la fundición parece sencillo:
se derrite metal, se vierte en un molde y se deja enfriar y solidificar; no obstante, hay muchos
factores y variables que deben considerarse a fin de lograr una operación de fundido exitosa.
La fundición incluye la obtención tanto de lingotes como de formas. El término lingote por
lo general se asocia con las industrias primarias de metales; describe un fundido grande de forma
sencilla que se espera adopte otras formas por medio de procesos como rolado o forjado. Una
1 Entre los cerámicos sólo el vidrio se procesa por solidificación; los cerámicos nuevos y tradicionales reciben su forma
con el empleo de procesos de partículas (véase el capítulo 11).
94 CAPÍTULO 5
Fundamentos de la fundición de metales
fundición de forma involucra la producción de formas más complejas que están mucho más
cerca de la forma final que se desea que tenga la pieza o producto. Este capítulo y el siguiente
tienen que ver más con la fundición de formas que con la de lingotes.
Existe una variedad de métodos de fundición de formas, lo que la hace uno de los procesos
de manufactura más versátiles. Entre sus posibilidades y ventajas se encuentran las siguientes:
• La fundición se utiliza para crear formas complejas para las piezas, inclusive externas e internas.
• Algunos procesos de fundición son capaces de producir piezas de forma neta. No se requieren operaciones adicionales de manufactura para obtener la forma y dimensiones requeridas
de las piezas. Otros procesos de fundición son de forma casi neta, para las que se necesita
algún procesamiento adicional (por lo general, maquinado) para dar forma, a fin de obtener
dimensiones y detalles exactos.
• La fundición se emplea para producir piezas muy grandes. Es posible hacer fundidos que
pesan más de 100 toneladas.
• El proceso de fundición se lleva a cabo en cualquier metal que pueda calentarse hasta llegar
al estado líquido.
• Algunos métodos de fundición son muy apropiados para la producción en masa.
Asociadas con la fundición también hay algunas desventajas, distintas para métodos diferentes. Entre éstas se incluyen limitaciones de las propiedades mecánicas, porosidad, exactitud dimensional y acabado de la superficie defectuosas para ciertos procesos de fundición, peligros
para la seguridad de los seres humanos cuando procesan metales fundidos, y problemas ambientales.
Las piezas fabricadas con procesos de fundición varían su tamaño desde componentes pequeños que pesan unas cuantas onzas hasta productos muy grandes de varias toneladas. La lista
de piezas incluye coronas dentales, joyería, estatuas, estufas para quemar madera, bloques y cabezas de motores para vehículos automotrices, armazones de maquinaria, ruedas de ferrocarril,
cacerolas para freír, tubería y carcasas de bombas. Todas las variedades de metales pueden fundirse, ferrosos y no ferrosos.
La fundición también se emplea con materiales como polímeros y cerámicos; sin embargo,
los detalles son suficientemente distintos como para posponer el estudio de los procesos de fundición de esos materiales en capítulos posteriores. Este capítulo y el siguiente tienen que ver en
forma exclusiva con la fundición de metales. En este capítulo se examinan los fundamentos que
se aplican prácticamente a todas las operaciones de fundido. En el capítulo que sigue se describen
los procesos individuales de fundición, así como algunos de los temas del diseño de productos
que deben considerarse cuando se fabrican piezas fundidas.
5.1 Panorama de la tecnología de fundición
Como proceso de producción, la fundición se lleva a cabo por lo general en una fundidora. Una
fundidora es una fábrica equipada para hacer moldes, fundir y manejar metal en forma derretida,
ejecutar el proceso de fundición, y limpiar el fundido terminado. Los trabajadores que llevan a
cabo las operaciones de fundido en estas fábricas reciben el nombre de fundidores.
5.1.1
Procesos de fundición
El estudio de la fundición comienza en forma lógica con el molde. El molde contiene una cavidad
cuya configuración geométrica determina la forma de la pieza fundida. El tamaño y forma reales
de la cavidad debe sobredimensionarse un poco para permitir la contracción de metal que ocurre
durante la solidificación y enfriamiento. A metales diferentes corresponden cantidades distintas
de contracción, por lo que la cavidad del molde debe diseñarse para el metal en particular que se
va a fundir, si la exactitud dimensional es de importancia crítica. Los moldes están hechos de
5.1
Panorama de la tecnología de fundición 95
Embudo de vertido
Mazarota
Metal fundido en la cavidad
Núcleo
Metal fundido
Marco superior
Línea de separación
Bebedero
Vaciadero
Caja de moldeo
Molde
a)
Marco inferior
b)
FIGURA 5.1 Dos formas de molde: a) molde abierto es tan sólo un contenedor con la forma de la pieza que se desea y b) molde cerrado, en la que la forma del molde es más compleja y requiere un sistema de paso (pasaje) que conduzca a la cavidad. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)
varios materiales, que incluyen arena, yeso, cerámica y metal. Es frecuente que los procesos varios de fundición se clasifiquen de acuerdo con estos tipos diferentes de moldes.
Para llevar a cabo la operación de fundido, primero se calienta el metal a una temperatura
suficientemente alta que lo transforme por completo al estado líquido. Después se vierte, o se
dirige, hacia la cavidad del molde. En un molde abierto (figura 5.1a), el metal líquido simplemente se vierte hasta que llena la cavidad abierta. En un molde cerrado (figura 5.1b) se adapta un
pasaje denominado sistema de paso, que permite que el metal derretido fluya desde el exterior del
molde hasta la cavidad. El molde cerrado es con mucho la categoría más importante de las operaciones productivas de fundición.
Tan pronto como el metal fundido llega al molde, comienza a enfriarse. Cuando la temperatura baja lo suficiente (por ejemplo, al punto de congelación para un metal puro), empieza a solidificarse. La solidificación involucra un cambio de fase del metal. Se requiere de tiempo para
completar el cambio de fase, y en el proceso se pierde una cantidad considerable de calor. Es
durante esta etapa del proceso que el metal adopta la forma sólida de la cavidad del molde, y
también se establecen muchas de las propiedades y características del fundido.
Una vez que el fundido se ha enfriado lo bastante, se retira del molde. En función del método de fundido y el metal empleado, podría requerirse un procesamiento adicional. Esto incluye
cortar el exceso de metal de la pieza fundida real, limpiar la superficie, inspeccionar el producto,
y dar tratamiento térmico para mejorar sus propiedades. Además, quizá se requiera maquinar
(véase el capítulo 16) con objeto de lograr tolerancias más estrechas para ciertas características
de las piezas, y eliminar la superficie del fundido.
Los procesos de fundición se dividen en dos categorías amplias, de acuerdo con el tipo de
molde que se emplea: la fundición con molde desechable y la fundición con molde permanente.
Molde desechable significa que el molde en que se solidifica el metal derretido debe destruirse
para retirar el fundido. Estos moldes están hechos de arena, yeso o materiales similares, cuya
forma se mantiene con el uso de aglutinantes de varias clases. La fundición con arena es el ejemplo más importante de los procesos con moldes desechables. En la fundición con arena, se vierte
metal derretido en un molde de arena. Una vez que el metal se endurece, debe destruirse el molde
a fin de recuperar el fundido.
Un molde permanente es el que se utiliza una vez y otra para producir muchos fundidos.
Está hecho de metal (o de un material refractario cerámico, lo que es menos común) que soporte
las temperaturas elevadas de la operación de fundido. En la fundición con molde permanente,
éste consiste en dos o más secciones que se abren para permitir el retiro de la pieza terminada. El
troquel de fundición es el proceso más familiar de este grupo.
Con los procesos de molde desechable por lo general son posibles formas más intrincadas
para el fundido. En los procesos con molde permanente las formas de la pieza están limitadas por
96 CAPÍTULO 5
Fundamentos de la fundición de metales
la necesidad de abrir el molde. Por otro lado, algunos de los procesos con molde permanente
tienen ciertas ventajas económicas en operaciones de producción elevada. En el capítulo 6 se
estudian los procesos de fundición con moldes desechables y permanentes.
5.1.2
Moldes para fundición en arena
La fundición con arena es por mucho el proceso de fundición más importante. Para describir
las características básicas de un molde se usará un molde para fundición en arena. Muchas de estas
características y términos son comunes a los moldes que se emplean en otros procesos de fundición. La figura 5.1b) muestra la sección transversal de un molde común de fundición de arena, en
la que se indica parte de la terminología. El molde consiste en dos mitades: el marco superior y
el marco inferior. El marco superior es la mitad superior del molde, y el marco inferior es la
mitad inferior. Estas dos partes del molde están contenidas en una caja, llamada caja de moldeo,
que también está dividida en dos mitades, una para el marco superior y la otra para el inferior. Las
dos mitades del molde se separan en la línea de separación.
En la fundición con arena (y en otros procesos con moldes desechables), la cavidad del molde se forma por medio de un modelo, hecho de madera, metal, plástico u otro material, y tiene la
forma de la pieza por fundir. La cavidad se forma por medio de apisonar arena alrededor del
modelo, sobre las mitades del marco superior y el inferior, de modo que cuando se retira el modelo, el vacío que queda tiene la forma que se desea para la pieza. El modelo por lo general está
sobredimensionado a fin de permitir la contracción del metal cuando éste se solidifica y se enfría.
La arena del molde está húmeda y contiene un aglutinante para que conserve su forma.
La cavidad del molde proporciona las superficies externas de la pieza fundida. Además, un
fundido puede tener superficies internas. Éstas quedan determinadas por medio de un núcleo,
forma que se coloca dentro de la cavidad del molde para definir la forma interior de la pieza. En
la fundición con arena, los núcleos por lo general están hechos también de arena, aunque pueden
emplearse otros materiales como metales, yeso y cerámicos.
El sistema de paso de un molde de fundición es el canal, o red de canales, por los que fluye
el metal derretido desde el exterior hacia la cavidad. Como se aprecia en la figura, es común que el
sistema de paso conste de un bebedero de vertido (también llamada sólo bebedero), por la que
el metal ingresa por un vaciadero que conduce a la cavidad principal. En la parte superior del
bebedero, es frecuente que se use un embudo de vertido para minimizar las salpicaduras y turbulencia conforme el metal fluye en el bebedero. En el diagrama aparece como un embudo sencillo
en forma de cono. Algunos embudos de vertido están diseñados en forma de tazón, con un canal
abierto que lleva al bebedero.
Además del sistema de paso, cualquier fundido en el que la contracción sea significativa requiere una mazarota conectada a la cavidad principal. La mazarota es un almacenamiento en el
molde que sirve como fuente de metal líquido para que el fundido compense la contracción durante la solidificación. La mazarota debe estar diseñada para que se solidifique después del fundido principal a fin de que cumpla su función.
Conforme el metal pasa al molde, el aire que ocupaba en forma previa la cavidad, o bien los
gases calientes que se forman por las reacciones del metal fundido, deben ser evacuados de modo
que el metal llene por completo el espacio vacío. Por ejemplo, en la fundición con arena la porosidad natural de ésta permite que el aire y los gases escapen a través de las paredes de la cavidad.
En los moldes permanentes de metal se perforan pequeños agujeros en el molde, o se maquinan
hacia la línea de separación, para permitir la salida del aire y gases.
5.2
Calentamiento y vertido
Para llevar a cabo una operación de fundido, el metal debe calentarse a una temperatura algo más
elevada que su punto de fusión y luego verterse a la cavidad del molde para que se solidifique. En
esta sección se estudian aspectos diversos de estas dos etapas de la fundición.
5.2
HEATING AND POURING
To perform a casting operation, the metal must be heated to a temperature somewhat
above its melting point and then poured into the mold cavity to solidify. In this section,
we consider several aspects of these two steps in casting.
5.2
Calentamiento y vertido 97
5.2.1
Calentamiento
del metal
5.2.1 HEATING
THE METAL
Para
calentar
el metalofa una
temperatura
de fusión6.4.1)
suficiente
parato
la heat
fundición
se utilizan
hornos
Heating
furnaces
various
kinds (Section
are used
the metal
to a molten
detemperature
varias clases sufficient
(véase la sección
6.4.1).
La
energía
calorífica
que
se
requiere
es
la
suma
de
1) el
for casting. The heat energy required is the sum of (1) the heat
to
calor
para
elevar
la
temperatura
al
punto
de
fusión,
2)
el
calor
de
fusión
para
convertirlo
de
sólido
raise the temperature to the melting point, (2) the heat of fusion to convert it from solid to
a líquido
3) el
para poner
el metal
fundido
a la temperatura
deseada
para verterlo.
Esto se
liquid, yand
(3)calor
the heat
to raise
the molten
metal
to the desired
temperature
for pouring.
expresa
así:
This can be expressed:
H ¼ rV Cs ðT m � T o Þ þ H f þ Cl T p � T m
(5.1)
(5.1)
where
H calor
¼ total
required
raise
the
the metal
to the pouring
donde
H=
totalheat
que se
requiereto
para
subir
la temperature
temperatura delofmetal
a la temperatura
a que
3
3
3); C );
(lbm/in
C
¼
weight
specific
heat
for
the
solid
r ¼ density,
s
setemperature,
vierte, J (Btu);J ρ(Btu);
= densidad,
g/cm3 g/cm
(lbm/pulg
=
calor
específico
por
peso
para
el
metal
s
�
�
¼ melting temperature
the metal,
F);temperatura
To ¼ starting
metal,
J/g-C
(Btu/lbm-F);
sólido,
J/g-C
(Btu/lbm-F);
Tm T
=mtemperatura
de fusión del of
metal,
°C (°F);CTo( =
de
�
(� F);HfH=f ¼
heat
fusion,
(Btu/lbm);
temperature—usually
l ¼ weight
inicio,
la ambiental, por lo ambient,
general, °CC(°F);
calor
deof
fusión,
J/gJ/g
(Btu/lbm);
Cl =Ccalor
espe�
�
temperature,
specific
heatdel
of metal
the liquid
metal,
(Btu/lbm-F);
Tp ¼ pouring
cífico
por peso
líquido,
J/g-CJ/g-C
(Btu/lbm-F);
Tp = temperatura
de vertido,
°C (°F),Cy (V F);
=
3
3
3 (pulg3).cm (in ).
and V del
¼ volume
of se
metal
being
volumen
metal que
calienta,
cmheated,
Equation(5.1)
(5.1)tiene
is of un
conceptual
value, but
its computational
is limited
because
La ecuación
valor conceptual,
pero
su valor para lavalue
realización
de cálculos
of limitado
the following
Specific1)
heat
and other
thermal
properties
of atérmicas
solid metal
está
por losfactors:
factores(1)
siguientes:
el calor
específico
y otras
propiedades
del
varysólido
with varían
temperature,
especiallyenif especial
the metal
a change
of fase
phase
during
metal
con la temperatura,
si el undergoes
metal sufre un
cambio de
durante
el
heating. (2) A
heat
be different
the solidenand
states.
Most
calentamiento.
2)metal’s
El calorspecific
específico
de may
un metal
puede serindiferente
losliquid
estados
sólido(3)
y líquimetals de
arelos
alloys,
and
alloysson
melt
over a ytemperature
range
between
do.casting
3) La mayoría
metales
quemost
se funden
aleaciones,
la mayor parte
de éstas
se fun-a
solidus
and liquidus
rather thanque
at varía
a single
melting
point; ythus,
the heat
fusion
cannot
den
por arriba
de una temperatura
entre
la de solidus
liquidus,
más of
bien
que con
un
be punto
applied
simply
above.no(4)
The aplicarse
property en
values
required
in the
equation
solo
de so
fusión;
así,aselindicated
calor de fusión
puede
forma
tan simple
como
la que
a particular
alloy arede
not
available
in most
(5)apropiados
There areque
significant
heat
sefor
ilustró.
4) En la mayoría
losreadily
casos, no
se dispone
de loscases.
valores
se requieren
to thepara
environment
during
heating.
enlosses
la ecuación
una aleación
particular.
5) Existen pérdidas caloríficas significativas hacia el
ambiente durante el calentamiento.
5.2.2 POURING THE MOLTEN METAL
5.2.2 Vertido del metal fundido
After heating, the metal is ready for pouring. Introduction of molten metal into the mold,
Después
del its
calentamiento,
el metal
está listo
paraand
verterlo.
del metalstep
derretido
including
flow through
the gating
system
into La
theintroducción
cavity, is a critical
in the
encasting
el molde,
que
incluye
el
flujo
a
través
del
sistema
de
paso
y
hacia
la
cavidad,
es
una
etapa
process. For this step to be successful, the metal must flow into all regions of
the
crítica
del
proceso
de
fundición.
Para
que
esta
etapa
tenga
éxito,
el
metal
debe
fluir
hacia
todas
mold before solidifying. Factors affecting the pouring operation include pouring temlasperature,
regiones pouring
del molderate,
antes
de turbulence.
solidificarse. Los factores que afectan la operación de vertido
and
incluyenThe
los siguientes:
temperatura
la que
se vierte, velocidad
de vertido
y turbulencia.
pouring temperature isa the
temperature
of the molten
metal
as it is introduced
La
temperatura
de
vertido
es
aquella
que
tiene
el
metal
derretido
cuando
se introduce al
into the mold. What is important here is the difference between the temperature
at
molde.
Lo
que
importa
aquí
es
la
diferencia
entre
la
temperatura
a
que
se
vierte
que metal
tiene
pouring and the temperature at which freezing begins (the melting point foryalapure
al or
comenzar
la solidificación
(el punto
de fusión
un temperature
metal puro, o la
temperatura
liquidus
the liquidus
temperature
for an
alloy).para
This
difference
is de
sometimes
para
una
aleación).
Esta
diferencia
de
temperatura
en
ocasiones
se
conoce
como
la
de
sobrecareferred to as the superheat. This term is also used for the amount of heat that must be
lentamiento.
Estethe
término
también
se empleapouring
para la and
cantidad
calor que debe
retirarse del
removed from
molten
metal between
whende
solidification
commences
[7].
metal derretido
entre
el
vertido
y
el
inicio
de
la
solidificación
[7].
Pouring rate refers to the volumetric rate at which the molten metal is poured into
velocidad
vertido
refierethe
a la
tasa volumétrica
a la
que se
viertefilling
el metal
theLamold.
If thederate
is tooseslow,
metal
will chill and
freeze
before
thefundido
cavity.alIf
molde. Si la tasa es demasiado baja, el metal se enfriará y solidificará antes de llenar la cavidad.
the pouring rate is excessive, turbulence can become a serious problem. Turbulence in
Si la tasa de vertido es excesiva, la turbulencia se vuelve un problema serio. La turbulencia en el
fluid flow is characterized by erratic variations in the magnitude and direction of the
flujo de un fluido se caracteriza por variaciones erráticas en la magnitud y dirección de la velocidad en el fluido. El flujo se agita y es irregular en vez de ser suave y seguir líneas de corriente,
como ocurre con el flujo laminar. Debe evitarse el flujo turbulento durante el vertido, por varias
razones. Tiende a acelerar la formación de óxidos de metal que pueden quedar atrapados durante
la solidificación, lo que degrada la calidad del fundido. La turbulencia también agrava la erosión
del molde, que es la pérdida gradual de superficies del molde debido al impacto del flujo de metal
derretido. Las densidades de la mayoría de los metales que se funden son mucho mayores que la
del agua y otros fluidos que se estudia normalmente. Estos metales fundidos también tienen una
química mucho más reactiva que cuando se encuentran a temperatura ambiente. En consecuencia, el desgaste ocasionado por el flujo de ellos en el molde es significativo, en especial en con-
98 CAPÍTULO 5
streamlined, as in laminar flow. Turbulent flow should be avoided during pouring for
velocity throughout
throughout the
the fluid. The
The flow
flow is
is agitated and
and irregular
irregular rather
rather than
than smooth
smooth and
and
velocity
several reasons.
It tendsfluid.
to accelerate
theagitated
formation of
metal oxides that
can become
streamlined,
as
in
laminar
flow.
Turbulent
flow
should
be
avoided
during
pouring
for
streamlined,
as insolidification,
laminar flow.thus
Turbulent
flow
during
pouringalso
for
entrapped
during
degrading
theshould
qualitybe
of avoided
the casting.
Turbulence
several
reasons.
It
tends
to
accelerate
the
formation
of
metal
oxides
that
can
become
several reasons.
tends the
to accelerate
the formation
of metal
oxides that
become
aggravates
mold It
erosion,
gradual wearing
away of the
mold surfaces
due can
to impact
of
entrapped during
during solidification,
solidification, thus
thus degrading
degrading the
the quality
quality of
of the
the casting. Turbulence
Turbulence also
also
entrapped
the
flowing molten
metal. The densities
of most molten
metalscasting.
are much higher than
aggravates mold
mold erosion,
erosion, the
the gradual
gradual wearing
wearing away of
of the
the mold
mold surfaces
surfaces due to
to impact
impact of
of
aggravates
water
and other fluids
we normally
deal with.away
These molten
metals are due
also much
more
the
flowing
molten
metal.
The
densities
of
most
molten
metals
are
much
higher
than
Fundamentos
de
la
fundición
de
metales
the
flowingreactive
molten than
metal.
The densities
of most
molten metals
are much
chemically
at room
temperature.
Consequently,
the wear
causedhigher
by the than
flow
water and
and other
other fluids
fluids we
we normally
normally deal
deal with.
with. These
These molten
molten metals
metals are
are also
also much
much more
more
water
of these metals in the mold is significant, especially under turbulent conditions. Erosion is
chemically reactive
reactive than
than at
at room
room temperature.
temperature. Consequently,
Consequently, the
the wear
wear caused
caused by
by the
the flow
chemically
especially
serious when
it occurs
theen
main
cavity
because
geometry
of thedebido
cast flow
part
diciones
demetals
turbulencia.
La
erosión
esin
seria
especial
siunder
ocurreturbulent
enthe
la cavidad
principal
ais
of
these
in
the
mold
is
significant,
especially
conditions.
Erosion
these
metals
in thefundida
mold isresulta
significant,
especially under turbulent conditions. Erosion is
is laaffected.
queof
forma
de
la
pieza
afectada.
especially serious
serious when
when it
it occurs
occurs in
in the
the main
main cavity
cavity because
because the
the geometry
geometry of
of the
the cast
cast part
part
especially
is
affected.
is affected.
5.2.3
Análisis de ingeniería
5.2.3 ENGINEERING
ANALYSISdel
OFvertido
POURING
variasare
relaciones
que
gobiernan el
flujo
del metal
través del
sistema
de paso
denThere
several
relationships
that
govern
the líquido
flow ofa liquid
metal
through
theygating
5.2.3
ANALYSIS
OF
POURING
5.2.3 ENGINEERING
ENGINEERINGHay
ANALYSIS
POURING
OFimportante
trosystem
del molde.
Una
es
el
teorema
de
Bernoulli,
que
establece
que
la
suma
de
las
and into the mold. An important relationship is Bernoulli’s theorem, which states
There are
are several
several relationships that
that govern
govern the
the flow
flow of
of liquid metal
metal through
through the
the gating
gating
There
energías
(piezométrica,
presión, cinética
fricción) kinetic,
en dos puntos
cualesquiera
de two
un líquido
que
that the
sum of therelationships
energies
(head, ypressure,
andliquid
friction)
at any
points
in a
system
and
into
the
mold.
An
important
relationship
is
Bernoulli’s
theorem,
which
states
system
and
into
the
mold.
An
important
relationship
is
Bernoulli’s
theorem,
which
states
fluye,
son
iguales.
Esto
se
escribe
de
la
forma
siguiente:
flowing liquid are equal. This can be written in the following form:
that the
the sum
sum of
of the
the energies
energies (head,
(head, pressure,
pressure, kinetic,
kinetic, and
and friction)
friction) at
at any
any two
two points
points in
in aa
that
flowing
liquid
are
equal.
This
can
be
written
in
the
following
form:
2 written in the2 following
flowing liquid are equal. Thispcan
form:
vbe
p
v2
(5.2)
h1 þ 1 þ 1 þ F 1 ¼ h2 þ þ 2 þ F 2 (5.2)
r 2g
r22 2g
2
2
2
2
v
v
p
p
2
2
2
þ v111 þ
þF
F 11 ¼
þ v222 þ
þF
F 22
h11 þ
þ p111 þ
¼h
h22 þ
þp þ
(5.2)
h
(5.2)
1
1
2
2
r
2g
r
2g
r
2g
r
2g 2N/cm
2); ρ = densi(lb/in2 2(lb/pulg
); r ¼ density,
g/cm3
where
¼ head,
cm (in), pcm
¼ pressure
onpresión
the liquid,
N/cm
donde
h =h altura
piezométrica,
(pulg), p =
del líquido,
33);
(lbm/in
v ¼ flow3);velocity,
cm/s (in/sec);
g ¼ gravitational
constant,
981 cm/
dad,
g/cmh
(lbm/pulg
v(in),
= velocidad
de flujo,
(pulg/s);
g =acceleration
constante
de
aceleración
de 33
2
2 (lb/in2
2
r la
¼
g/cm
where
¼
head,
cm
p
¼
oncm/s
the
liquid,
N/cm
2
2);
3
(lb/in
);
¼ density,
density,
g/cm
where
h
¼
head,
cmin/sec/sec);
(in), ×
p 12
¼ pressure
pressure
thelosses
liquid,
N/cm
(32.233 �981
12
¼
386
and
F pulg/s/s),
¼on
head
due
to friction,
cmr (in).
Subscripts
la s/s
gravedad,
cm/s/s
(32.2
=
386
y
F
=
pérdidas
piezométricas
debidas
a
la1
(lbm/in
vv ¼
flow
velocity,
cm/s
(in/sec);
gg ¼
gravitational
acceleration
constant,
981
cm/
3);
(lbm/in
);
¼
flow
velocity,
cm/s
(in/sec);
¼
gravitational
acceleration
constant,
981
cm/
and 2 cm
indicate
any
locations
the liquid
fricción,
(pulg).
Lostwo
subíndices
1and
yin
2 Findican
dos flow.
ubicaciones
cualesquiera
en el Subscripts
flujo del lí-1
s/s
�
in/sec/sec);
due
to
cm
s/s (32.2
(32.2
� 12
12 ¼
¼ 386
386
in/sec/sec);
andsimplified
F¼
¼ head
headinlosses
losses
dueways.
to friction,
friction,
cm (in).
(in).
Subscripts
Bernoulli’s
equation
can be
several
If we ignore
friction
losses1
quido.
and
22 indicate
any
two
locations
in
the
liquid
flow.
and
indicate
any
two
locations
in
the
liquid
flow.
(toLabeecuación
sure, friction
will affect
the liquidde
flow
through
a sand
andlas
assume
thatpor
the
de Bernoulli
se simplifica
varias
maneras.
Si mold),
se ignoran
pérdidas
Bernoulli’s
equation can
be
in
ways. If
ignore friction
losses
Bernoulli’s
can
be simplified
simplified
in several
several
Ifdewe
we
losses
system
remains atequation
atmospheric
pressure
throughout,
then
the equation
can friction
be arena,
reduced
fricción
(seguramente,
la fricción
afectará
el flujo
del
líquido
aways.
través
unignore
molde
de
y seto
(to be
be sure,
sure, friction
friction will
will affect
affect the
the liquid
liquid flow
flow through
through aa sand
sand mold),
mold), and
and assume
assume that
that the
the
(to
supone
que entre
tanto el sistema
permanece
a presión
atmosférica, entonces
la ecuación se
redusystem remains
remains at
at atmospheric
atmospheric pressure
pressure throughout,
throughout,
then
the
equation
can
be
reduced
to
2
2then
system
the
equation
can
be
reduced
to
v
v
ce a
(5.3)
h1 þ 1 ¼ h2 þ 2
2g
2g
vvv2212
vvv2222
2
1
¼
h
(5.3)
þ
þ
h
2
1
1
2
(5.3)
h
(5.3)
h11 þ 2g
2g ¼ h22 þ 2g
2g
This can be used to determine the velocity
of the molten metal at the base of the sprue.
Let us define point 1 at the top of the sprue and point 2 at its base. If point 2 is used as
This
can be
bepara
useddeterminar
to determine
determine
the velocity
velocity
of the
the
molten
metal
atdel
thebebedero.
base of
of the
the
sprue.
This
can
used
to
the
of
molten
sprue.
Esto
utiliza
velocidad
metal
derretido
enmetal
la 2base
Se define
¼at
0)the
andbase
h1 is the
height
thesereference
plane,
then lathe
head atdel
that
point
is zero
(h
Let punto
us define
define
point
1 at
at the
the de
toplaof
of
the sprue
sprue
and point
point
2 at
at its
its
base.
If point
point
2 is
iscomo
usedelas
as
Let
us
point
1
top
the
and
2
base.
If
2
used
como
1
la
parte
superior
mazarota,
y
punto
2
la
base.
Si
el
punto
2
se
usa
(length) of the sprue. When the metal is poured into the pouring cup and overflows
¼
0)
and
h
is
the
height
the de
reference
plane,
thenlathe
the
head
at that
that point
point
is
zero
(h
2
1
¼
0)
and
h
is
the
height
the
reference
plane,
then
head
at
is
zero
(h
plano
referencia,
entonces
altura
piezométrica
en
él
es
igual
a
cero
(h
=
0)
y
h
es
la
altura
2
1 (5.3)
2
1
Eq.
further
down the sprue, its initial velocity at the top is zero (v1 ¼ 0).
2 Hence,
1
(length)deof
oflathe
the sprue.
sprue.
Whenel the
the
metal
is poured
poured
into the
the
pouring
cup
and overflows
overflows
(longitud)
Cuando
metal
se vierte
en el embudo
y fluye
por elcup
bebedero,
su velo(length)
When
metal
is
into
pouring
and
simplifies
toentrada.
Hence,
Eq.
further
down
the
sprue,
its
initial
at
the
top
zero
(v
cidad
inicial
la parte
es de cero
0). is
Así,
la ecuación
se simplifica
más
¼ 0).
0).(5.3)
Hence,
Eq. (5.3)
(5.3)aún
further
down
the en
sprue,
its superior
initial velocity
velocity
at (v
the
top
is
zero
(v111 ¼
1=
simplifies
to
2
y queda
simplifies to
v
h1 ¼ 2
2g
2
vv22222
h11 ¼
(5.3bis)
h
¼
1
2g
which can be solved for the flow velocity: 2g
C05
08/02/2011
9:44:39
Page 103
pffiffiffiffiffiffiffiffi
quewhich
se resuelve
la velocidad
flujo:
can
solved
for
flow
velocity:
which
can be
bepara
solved
for the
the de
flow
velocity:
v ¼ 2gh
(5.4)
p
ffiffiffiffiffiffiffiffiffi
pffiffiffiffiffiffiffi
vv ¼
2gh
(5.4)
(5.4)
¼ at2gh
(5.4)
where v ¼ the velocity of the liquid metal
the base of the sprue,
cm/s (in/sec);(5.4)
g¼
981 cm/s/s (386 in/sec/sec); and h ¼ the height of the sprue, cm (in).
where
vvv ¼
velocity
of
liquid
metal
at
base
the
sprue,
cm/s
(in/sec);
ggg ¼
where
¼
the
velocity
of
the
liquid
metal
at
the
base
of
the
sprue,
cm/s
¼
where
¼ the
the relationship
velocity
of the
the
liquid
metal
at the
the
base of
of cm/s
the
sprue,
cm/s
(in/sec);
¼
Another
of importance
during
pouring
is the
continuity
law,cm/s/s
which
donde
vcm/s/s
=
velocidad
del metal
líquido
en
la
base
de
laof
mazarota,
(pulg/s);
g =(in/sec);
981
981
(386
in/sec/sec);
and
h
¼
the
height
the
sprue,
cm
(in).
981
cm/s/s
(386
in/sec/sec);
and
h
¼
the
height
of
the
sprue,
cm
(in).
981
cm/s/s
(386
in/sec/sec);
and
h
¼
the
height
of
the
sprue,
cm
(in).
states
that the
of flow remains
constant throughout the liquid. The volume
(386
pulg/s/s),
y h volume
=
alturarate
del bebedero,
cm (pulg).
Another
relationship
of
during
pouring
is
law,
which
Another
relationship
of
importance
during
pouring
is
the
continuity
law,
which
Another
relationship
of importance
importance
during
pouring
is the
the continuity
continuity
law,flowing
which
flow
rate
is equal
to the velocity
multiplied
by
the
cross-sectional
areaestablece
of the
Otra
relación
importante
durante
el
vertido
es
la ley
de
continuidad,
que
que
la
states
that
the
volume
rate
of
flow
remains
constant
throughout
the
liquid.
The
volume
states
that
the
volume
rate
of
flow
remains
constant
throughout
the
liquid.
The
volume
states
that
the
volume
rate
of
flow
remains
constant
throughout
the
liquid.
The
volume
Section
5.3/Solidification
and
Cooling es igual
103
tasa
de
flujo
volumétrico
permanece
constante
a
través
del
líquido.
El
gasto
volumétrico
flow
rate
equal
velocity
multiplied
by
the
area
of
flowing
rate
is
equal
to
the
multiplied
the
cross-sectional
area
of
the
flow
rate is
ismultiplicada
equal to
to the
the
velocity
multiplied
bytransversal
the cross-sectional
cross-sectional
areafluye.
of the
the
flowing
a laflow
velocidad
porvelocity
el área de
la secciónby
del líquido que
Laflowing
ley de
la liquid.
continuidad
se expresa como:
The continuity
law can be expressed:
Q ¼ v1 A1 ¼ v2 A2
(5.5)
(5.5)
3
donde
Q=
volumétrico,
cm3rate,
/s (pulg
=3/sec);
velocidad;
= área de
secciónA
transversal
/s v(in
v ¼ Avelocity
aslabefore;
¼ crosswhere
Qgasto
¼ volumetric
flow
cm3/s);
2
2
2
2
delsectional
líquido, area
cm (pulg
y los cm
subíndices
se refieren
a dos puntos
del sistema
de
(in ); and
the subscripts
refer tocualesquiera
any two points
in the flow
of the),liquid,
flujo.
Así, un
incremento
del área
da lugar
a unaindisminución
velocidad,
y viceversa.
system.
Thus,
an increase
in area
results
a decreasede
inlavelocity,
and
vice versa.
Las Equations
ecuaciones (5.4)
(5.4) and
y (5.5)
indican
que that
el bebedero
debe
ser ahusado.
Conforme
el metal
(5.5)
indicate
the sprue
should
be tapered.
As the
metal
acelera
duranteduring
su descenso
por la into
abertura
bebedero,
el área
la sección transversal
accelerates
its descent
the del
sprue
opening,
the de
cross-sectional
area of del
the
channel must be reduced; otherwise, as the velocity of the flowing metal increases toward
the base of the sprue, air can be aspirated into the liquid and conducted into the mold
cavity. To prevent this condition, the sprue is designed with a taper, so that the volume
flow rate vA is the same at the top and bottom of the sprue.
Assuming that the runner from the sprue base to the mold cavity is horizontal (and
liquid. The
The continuity
continuity law
law can
can be
be expressed:
expressed:
liquid.
Q¼
¼ vv11A
A11 ¼
¼ vv22A
A22
Q
(5.5)
(5.5)
3
where Q
Q¼
cm33/s/s (in
(in3/sec);
/sec); vv ¼
¼ velocity
velocity as
as before;
before; A
A¼
¼ crosscross¼ volumetric
volumetric flow
flow rate,
rate, cm
where
2
2
2 (in2 ); and the subscripts refer to any two points in the flow
sectional
area
of
the
liquid,
cm
sectional area of the liquid, cm (in ); and the subscripts refer to any two points in the flow
5.3in Solidificación
y enfriamiento system. Thus,
Thus, an
an increase
increase in
in area
area results
results in
in aa decrease
decrease
velocity, and
and
vice versa.
versa. 99
system.
in velocity,
vice
Equations (5.4)
(5.4) and
and (5.5)
(5.5) indicate
indicate that
that the
the sprue
sprue should
should be
be tapered.
tapered. As
As the
the metal
metal
Equations
accelerates
during
its
descent
into
the
sprue
opening,
the
cross-sectional
area
of
the
accelerates
during de
itsotro
descent
the sprue
opening,
the cross-sectional
area ofhacia
the
canal
debe reducirse;
modo,into
mientras
la velocidad
del metal
aumenta en su camino
channel
must
be
reduced;
otherwise,
as
the
velocity
of
the
flowing
metal
increases
toward
be reduced;
otherwise,
as the
velocity
of the
increases
toward
lachannel
base delmust
bebedero,
el líquido
podría aspirar
aire
y llevarlo
a laflowing
cavidad metal
del molde.
Para impedir
the base
base of
of the
the sprue,
sprue, air
air can
can be
be aspirated
aspirated into
into the
the liquid
liquid and
and conducted
conducted into
into the
the mold
mold
the
esta
condición,
el bebedero
se diseña
con un ahusamiento,
de modo que
el gasto volumétrico
vA
cavity.
To
prevent
this
condition,
the
sprue
is
designed
with
a
taper,
so
that
the
volume
cavity.es
Toelprevent
this
the sprue
is designed
siempre
mismo en
lascondition,
partes superior
e inferior
de ella. with a taper, so that the volume
flow
rate
vA isisque
theelsame
same
at the
the
top
and
bottom
of
the sprue.
sprue.
flow
vA
the
at
top
the
Si rate
se
supone
vaciadero
que
vaand
de labottom
base delof
bebedero
a la cavidad del molde es horiAssuming
that
the
runner
from
the
sprue
base
to
the
mold
cavity
horizontal
(and
that
the piezométrica
runner fromhthe
sprue
base
toen
the
cavity
isis horizontal
(and
zontal (yAssuming
por tanto la
altura
es la
misma
que
la mold
base del
bebedero),
entonces
el
therefore
the
head
h
is
the
same
as
at
the
sprue
base),
then
the
volume
rate
of
flow
therefore
the head
h isdel
thepaso
same
as la
atcavidad
the sprue
base), permanece
then the volume
rate
of base.
flow
gasto
volumétrico
a través
hacia
del molde
igual a vA
en la
through
the gate
gate
and
intoestimar
the mold
mold
cavityque
remains
equalpara
to vA
vA
at the
the
base. Accordingly,
Accordingly,
through
the
into
the
cavity
remains
equal
to
at
base.
En
consecuencia,
esand
posible
el tiempo
se requiere
llenar
la cavidad
de un molde
we
can
estimate
the
time
required
to
fill
a
mold
cavity
of
volume
V
as
can estimate
dewe
volumen
V, así: the time required to fill a mold cavity of volume V as
V
¼V
MF ¼
TTMF
Q
Q
(5.6)
(5.6)
(5.6)
3
3
33 (in33); 3and Q3 ¼
¼ mold
mold
filling
time,
(sec);s;V
V
¼ volume
volume of
of
mold
cavity,
cm
where
MF
donde
TMF
= tiempo
defilling
llenado
del molde,
V¼
=
volumen
demold
la cavidad
delcm
molde,
(pulg
),
¼
time,
ss (sec);
cavity,
(in cm
); and
Q¼
where
TTMF
volume
flow
rate,
as
before.
The
mold
filling
time
computed
by
Eq.
(5.6)
must
be
y volume
Q = gasto
volumétrico.
El
tiempo
de
llenado
del
molde
calculado
por
medio
de
la
ecuación
flow rate, as before. The mold filling time computed by Eq. (5.6) must be
considered
minimum
time. mínimo.
This isis because
because
theaanalysis
analysis
ignores
friction
losses and
and
(5.6)
debe considerarse
un tiempo
Esto
se debe
que el análisis
ignora
las pérdidas
por
considered
aa minimum
time.
This
the
ignores
friction
losses
possible
constriction
of
flow
in
the
gating
system;
thus,
the
mold
filling
time
will
be
longer
fricción
y
la
posible
obstrucción
del
flujo
en
el
sistema
de
paso;
así,
el
tiempo
de
llenado
del
possible constriction of flow in the gating system; thus, the mold filling time will be longer
than
what
is
given
by
Eq.
(5.6).
molde
debe
ser
mayor
que
el
que
se
obtiene
con
la
ecuación
(5.6).
than what is given by Eq. (5.6).
Example5.1
5.1
Ejemplo
Example
5.1
Pouring
Cálculos
Pouring del
Calculations
vertido
Calculations
2
2 . The
A
mold sprue
sprue
20 cm
cmmide
long,20and
and
the
cross-sectional
area
at its
its base
base isis 2.5
2.5 cm
cmsu
sprue
ElA
bebedero
de unisismolde
cmthe
de largo,
y el área dearea
la sección
transversal
en
basesprue
es de
mold
20
long,
cross-sectional
at
. The
2. a
feeds
horizontal
runner
leading
into
a
mold
cavity
whose
volume
is
1560
cm33..
El
bebedero
alimenta
un
vaciadero
horizontal
que
conduce
a
la
cavidad
de
un
molde
2.5
cm
feeds a horizontal runner leading into a mold cavity whose volume is 1560 cm
Determine:
(a)de
velocity
of 3the
the
molten metal
metal
at the
the base
base
ofmetal
the sprue,
sprue, (b)
(b)envolume
volume
rate
cuyo
volumen (a)
es
1 560 cm
. Determine:
a) la at
velocidad
delof
derretido
la baserate
del
Determine:
velocity
of
molten
the
of
flow,
and
(c)
time
to
fill
the
mold.
bebedero,
b)
la
tasa
de
flujo
volumétrico
y
c)
el
tiempo
que
toma
llenar
el
molde.
of flow, and (c) time to fill the mold.
Solution: a)(a)
(a)
The velocity
velocity
of the
the
flowing
metal
at
the
base of
of
the
sprue
is given
given by
by
Solución:
La velocidad
del flujo
de metal
en metal
la
baseat
dethe
la entrada
está
dada
por is
la
ecuación
Solution:
The
of
flowing
base
the
sprue
Eq. (5.4):
(5.4):
(5.4):
Eq.
¼
vv ¼
ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi
pffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi
p
2ð981Þð20Þ ¼
¼ 198:1
198:1cm=s
cm=s
2ð981Þð20Þ
b)(b)
El gasto
volumétricoflow
es rate
(b)
The volumetric
volumetric
flow
rate isis
The
�
�
3
=s
Q¼
¼ �2:5
2:5cm
cm22�ð198:1
ð198:1cm=sÞ
cm=sÞ ¼
¼ 495
495cm
cm3 =s
Q
3
c)(c)
El Time
tiempo
que se requiere
llenar
la cavidad
de cm
un 3molde
deflow
1 560rate
cm3isiscon ese gasto es
at this
this
flow
rate
(c)
Time required
required
to fill
fill apara
a mold
mold
cavity
of 1560
1560
cm
at
to
cavity
of
¼11560=495
1560=495
¼ 3.2
3:2ss
MF =
TMF
560/495 =
TT
¼
¼
3:2s
MF
&
■
&
5.3 Solidificación y enfriamiento
5.3 SOLIDIFICATION
SOLIDIFICATION AND
AND COOLING
COOLING
5.3
Después de que se vierte al molde, el metal derretido se enfría y solidifica. En esta sección se
Afterelpouring
pouring
intofísico
the mold,
mold,
the molten
molten metal
metal
coolsdurante
and solidifies.
solidifies.
In this
this
section
we
estudia
mecanismo
de la solidificación
que ocurre
la fundición.
Lossection
temas asoAfter
into
the
the
cools
and
In
we
examine
the
physical
mechanism
of
solidification
that
occurs
during
casting.
Issues
ciados
con ella
tiempo que necesita
un metal para
las contracciones,
la
examine
the incluyen
physicalelmechanism
of solidification
thatsolidificarse,
occurs during
casting. Issues
associatedwith
with
solidification
include
the
timefor
foraametal
metalto
tofreeze,
freeze,shrinkage,
shrinkage,directional
directional
solidificación
direccional
y el diseño
de lathe
mazarota.
associated
solidification
include
time
solidification, and
and riser
riser design.
design.
solidification,
5.3.1
Solidificación de los metales
La solidificación involucra la transformación del metal derretido de nuevo al estado sólido. El
proceso de solidificación difiere en función de si el metal es un elemento puro o una aleación.
Un metal puro se solidifica a una temperatura constante igual a su punto de
adhesión, el cual es el mismo punto de fusión. Los puntos de fusión de los metales puros se conocen y están bien documentados (véase la tabla 3.10). El proceso ocurre a lo largo del tiempo,
como se ilustra en la gráfica que aparece en la figura 5.2, que se denomina curva de enfriamiento.
Metales puros
100 CAPÍTULO 5
Fundamentos de la fundición de metales
Temperatura de vertido
FIGURA 5.2 Curva de
enfriamiento para un metal
puro durante la fundición.
(Crédito: Fundamentals of
Modern Manufacturing, 4a.
ed., de Mikell P. Groover,
2010. Reimpreso con autorización de John Wiley &
Sons, Inc.)
Temperatura
Enfriamiento líquido
Comienza la
solidificación
Tm
Tiempo
local de
solidificación
Tiempo
total de
solidificación
Termina la
solidificación
Temperatura de
solidificación
Enfriamiento
sólido
Tiempo
La solidificación real toma tiempo, llamado tiempo local de solidificación del fundido, durante
el cual el calor de fusión latente del metal se libera hacia el molde que lo rodea. El tiempo total
de solidificación es aquel que transcurre entre el vertido y la solidificación completa. Después de
que el fundido se ha solidificado por completo, el enfriamiento continúa a la tasa indicada por la
pendiente hacia abajo de la curva de enfriamiento.
Debido a la acción enfriadora de la pared del molde, al principio se forma una capa delgada
de metal sólido en la interfaz inmediatamente después del vertido. El espesor de esta capa se incrementa y forma una costra alrededor del metal derretido conforme la solidificación avanza
hacia el centro de la cavidad. La tasa a la que la solidificación sucede depende de la transferencia
de calor al molde, así como las propiedades térmicas del metal.
Es de interés examinar la formación de granos metálicos y su crecimiento durante el proceso de solidificación. El metal que forma la capa inicial se ha enfriado con rapidez por la extracción de calor a través de la pared del molde. Esta acción de enfriamiento ocasiona que los granos
de la capa sean finos, de ejes iguales y orientados al azar. Conforme el enfriamiento continúa, se
forman más granos y crecen en dirección opuesta a la de la transferencia de calor. Como ésta
ocurre a través de la capa y pared del molde, los granos crecen hacia el interior como agujas o
espinas de metal sólido. Conforme estas espinas crecen se forman ramas laterales, y mientras
éstas también crecen se forman otras ramas a ángulos rectos de las primeras. Este tipo de crecimiento de granos se conoce como crecimiento dendrítico, y ocurre no sólo en la solidificación de
los metales puros sino también en la de aleaciones. Estas estructuras parecidas a árboles se llenan
en forma gradual durante la solidificación, conforme se deposita más metal en las dendritas, hasta que ocurre la solidificación completa. Los granos que resultan de este crecimiento dendrítico
adoptan una orientación preferente, tienden a ser gruesos, y hay granos alargados en dirección del
centro del fundido. En la figura 5.3 se ilustra la formación de granos que resulta.
Mayoría de aleaciones La mayor parte de aleaciones se solidifican en un rango de temperaturas en vez de a una temperatura única. El rango exacto depende del sistema de aleación y la
composición particular. La solidificación de una aleación se explica con auxilio de la figura 5.4,
que muestra el diagrama de fase para un sistema particular de aleación y la curva de enfriamiento para una composición dada. Conforme la temperatura cae, comienza la solidificación a la
temperatura indicada por el liquidus y termina cuando se alcanza el solidus. El comienzo de
la solidificación es similar a la de un metal puro. Se forma una capa delgada en la pared del molde debido al gradiente de temperatura mayor en esa superficie. Luego, la solidificación continúa
igual que se describió antes, con la formación de dendritas que crecen hacia afuera de las paredes.
Sin embargo, debido a la dispersión de temperatura entre el liquidus y el solidus, la naturaleza del
5.3
Solidificación y enfriamiento 101
FIGURA 5.3 Estructura característica de los granos en un fundido de
metal puro, en la que se ilustran los granos de tamaño pequeño orientados
al azar cerca de la pared del molde, y granos grandes alargados orientados hacia el centro del fundido. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)
1 455 °C
(2 651 °F)
Temperatura
crecimiento dendrítico es tal que se forma una zona de avance en la que coexiste metal tanto líquido como sólido. Las porciones sólidas son las estructuras dendríticas que se formaron lo suficiente como para atrapar islas pequeñas de metal líquido en la matriz. Esta región sólida-líquida
tiene consistencia suave que ha dado lugar a su nombre de zona blanda. En función de las condiciones de solidificación, la zona blanda puede ser relativamente angosta, o existir a través de la
mayor parte del fundido. Esta última condición la favorecen factores como la transferencia
lenta de calor a partir del metal caliente, y una diferencia grande entre las temperaturas de liquidus y el solidus. En forma gradual, las islas de líquido en la matriz dendrítica se solidifican conforme disminuye la temperatura del fundido hacia la de solidus para la composición de la aleación dada.
Otro factor que complica la solidificación de las aleaciones es que cuando comienzan a formarse las dendritas su composición favorece al metal con el punto de fusión más elevado. En
tanto la solidificación continúa y las dendritas crecen, se desbalancea la composición entre el
metal que ya se solidificó y el restante que sigue derretido. Este desbalanceo en la composición
se manifiesta al final, en el fundido terminado, en forma de la segregación de los elementos. La
segregación es de dos tipos, microscópica y macroscópica. Microscópicamente, la composición
química varía entre los granos individuales. Esto se debe al hecho de que la espina inicial de cada
dendrita tiene una proporción mayor de uno de los elementos de la aleación. Conforme las dendritas crecen, deben expandirse con el uso del metal líquido restante que ha disminuido parcialmente del primer componente. Al final, el último metal en solidificarse en cada grano es el que
Solución líquida
Liquidus
Temperatura de vertido
Enfriamiento líquido
Comienza la solidificación
Temperatura
L+S
Solidificación
terminada
Solidus
1 083 °C
(1 981 °F)
Solución sólida
Ni
50%
% Cobre
a)
Cu
Tiempo
total de
solidificación
Enfriamiento
sólido
Tiempo
b)
FIGURA 5.4 a) Diagrama de fase para un sistema de aleación cobre-níquel y b) curva de enfriamiento
asociada para una composición de 50% Ni y 50% Cu, durante la fundición. (Crédito: Fundamentals of
Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley &
Sons, Inc.)
FIGURE 5.5 Characteristic grain structure in an alloy casting,
showing segregation of alloying components in the center of
casting. (Credit: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4th
Edition by Mikell P. Groover, 2010. Reprinted with permission
102 CAPÍTULO 5 Fundamentos
de laWiley
fundición
de metales
of John
& Sons,
Inc.)
Another factor complicating solidification of alloys is that the composition of the
dendrites as they start to form favors the metal with the higher melting point. As freezing
continues and the dendrites grow, there develops an imbalance in composition between
the metal
has solidified
and
the remaining
FIGURA
5.5thatEstructura
de grano
característica
de unmolten
fundido metal.
de alea- This composition imbalance
is finally
manifested
the completed
in thedeform
of segregation of the elements.
ción,
en la que
se aprecia in
la segregación
de loscasting
componentes
la aleación
en
el centro
del fundido.
Fundamentals
of Modern
ManufactuThe
segregation
is of(Crédito:
two types,
microscopic
and macroscopic.
At the microscopic level,
ring,
4a. ed., de Mikell
P. Groover,
2010.throughout
Reimpreso con
autorización
de grain. This is due to the fact
the chemical
composition
varies
each
individual
John
& Sons, Inc.)
thatWiley
the beginning
spine of each dendrite has a higher proportion of one of the elements
in the alloy. As the dendrite grows in its local vicinity, it must expand using the remaining
liquid metal that has been partially depleted of the first component. Finally, the last metal
to freeze in each grain is that which has been trapped by the branches of the dendrite, and
ha
atrapado por
ramas
de lasout
dendritas,
y su composición
está aaún
más fueraindechemical
balance.
itssido
composition
is las
even
further
of balance.
Thus, we have
variation
Así,
se
tiene
una
variación
de
la
composición
química
dentro
de
los
granos
individuales
del funcomposition within single grains of the casting.
dido. At the macroscopic level, the chemical composition varies throughout the entire
Macroscópicamente,
la composición
química
varía enfirst
todo
fundido.
Como
regiones
casting.
Since the regions
of the casting
that freeze
(atelthe
outside
nearsusthe
mold
que
se
solidificaron
primero
(hacia
fuera,
cerca
de
las
paredes
del
molde)
son
más
ricas
en un
walls) are richer in one component than the other, the remaining molten alloy is deprived
componente
que
en
otro,
la
aleación
derretida
restante
queda
privada
de
él
en
el
momento
en
que
of that component by the time freezing occurs at the interior. Thus, there is a general
ocurre
la
solidificación
en
el
interior.
Así,
hay
una
segregación
general
a
través
de
la
sección
segregation through the cross section of the casting, sometimes called ingot segregation,
transversal
del fundido,
a veces se denomina segregación de lingote, como se ilustra en la
as illustrated
in Figureque
5.5.
figura 5.5.
Eutectic Alloys
Eutectic
constitute
exception
to the general
by se
which
Aleaciones
eutécticas
Éstasalloys
constituyen
una an
excepción
al proceso
general process
por el que
soli-
alloys las
solidify.
A eutectic
alloy is eutéctica
a particular
composition
in an
alloy system
which
difican
aleaciones.
Una aleación
es una
composición
particular
de un for
sistema
de
the
solidus
and
liquidus
are
at
the
same
temperature.
Hence,
solidification
occurs
at a
aleación para el que el solidus y el liquidus están a la misma temperatura. Así, la solidificación
constant
temperature
(called(llamada
the eutectic
temperature)
ratherenthan
over
a temperature
ocurre
a temperatura
constante
la temperatura
eutéctica)
lugar
de en
un rango. Alrange.
Examples
of
eutectic
alloys
encountered
in
casting
include
aluminum–silicon
gunos ejemplos de aleaciones eutécticas que se encuentran en la fundición incluyen aluminio(11.6%
Si) and
casty hierro
iron (4.3%
C).(4.3% de C).
silicio
(11.6%
de Si)
fundido
5.3.2 SOLIDIFICATION
Tiempo de solidificación
5.3.2
TIME
Ya
sea que the
el fundido
un metal
puro solidification
o en una aleación,
la time.
solidificación
toma
tiempo.
Whether
castingconsista
is pureen
metal
or alloy,
takes
The total
solidificaEl
tiempo
total
de
solidificación
es
el
que
se
requiere
para
que
el
fundido
se
solidifique
después
tion time is the time required for the casting to solidify after pouring. This time is
del
vertido. Este
del tamaño
forma del
en unarelationship
relación empírica
conodependent
on tiempo
the sizedepende
and shape
of the ycasting
by fundido,
an empirical
known
as
cida
como
regla
de
Chvorinov,
que
establece
lo
siguiente:
Chvorinov’s rule, which states:
n
V
(5.7)
(5.7)
T TS ¼ Cm
A
3
3
3 (pulg
total solidification
time, min;
V ¼Vvolume
of the
cm
); A3);¼Asurface
whereTTTS=¼tiempo
donde
total2 de solidificación,
min;
= volumen
delcasting,
fundido,
cm(in
= área
TS
2
2
2
); n(pulg
is an );exponent
usually taken
to have
a value
¼ 2; and
Ctiene
area
of the casting,
cm (incm
m is
de
la superficie
del fundido,
n es un exponente
que por
lo general
se
acepta
que
2
2
min/cm
(min/in
value2
thevalor
mold
that n del
¼ 2,molde.
the units
ofque
Cmnare
un
deconstant.
2, y Cm esGiven
la constante
Dado
= 2,
las unidades
de ),
Cmand
sonits
min/cm
depends 2on
conditions
of the casting
operation,deincluding
molddematerial
(e.g.,
(min/pulg
), ythe
su particular
valor depende
de las condiciones
particulares
la operación
fundición,
inspecific heat,
thermal
conductivity),
thermal
the cast metal
(e.g.,propiedaheat of
cluyendo
el material
del molde
(por ejemplo,
calorproperties
específico, of
conductividad
térmica),
fusion,
specific
heat,que
thermal
and de
pouring
relative
to the
des
térmicas
del metal
se fundeconductivity),
(por ejemplo, calor
fusión, temperature
calor específico,
conductividad
for a given
casting
operation
cande
beCbased
melting point
of the metal.
The value
of Cal
m punto
térmica),
y la temperatura
de vertido
respecto
de fusión
del metal.
El valor
m para
una operación de fundido se basa en datos experimentales de operaciones anteriores efectuadas
con el empleo del mismo material del molde, metal y temperatura de vertido, aun si la forma de
la pieza fuera muy diferente.
La regla de Chvorinov indica que un fundido con una razón grande de volumen a superficie
se enfriará y solidificará con más lentitud que otra con una razón menor. Este principio se emplea
para diseñar la mazarota de un molde. Para que desempeñe su función de alimentar el metal fundido a la cavidad principal, el metal en la mazarota debe permanecer en fase sólida más tiempo
que el fundido. En otras palabras la TTS para la mazarota debe exceder la TTS del fundido principal. Como las condiciones del molde son las mismas tanto para la mazarota como para fundido,
sus constantes de molde deben ser iguales. Si se diseña la mazarota para que tenga una razón
5.3
Solidificación y enfriamiento 103
mayor de volumen a área, se puede tener seguridad razonable en que el fundido principal se solidifique primero y que los efectos de la contracción se minimicen. Antes de considerar la manera en que se diseña la mazarota con la regla de Chvorinov, se estudiará el tema de la contracción,
que es la razón por la que se necesitan las mazarotas.
5.3.3
Contracción
El estudio presente de la solidificación ha ignorado el efecto de la contracción que tiene lugar
durante el enfriamiento y solidificación. La contracción ocurre en tres etapas: 1) contracción líquida durante el enfriamiento antes de la solidificación; 2) contracción durante el cambio de fase
de líquida a sólida, llamada contracción por solidificación, y 3) contracción térmica del fundido
solidificado durante el enfriamiento a temperatura ambiente. Las tres etapas se explican en relación con un fundido cilíndrico hecho en un molde abierto, como se ilustra en la figura 5.6. El
metal fundido inmediatamente después del vertido aparece en el inciso 0 de la serie. La contracción del metal líquido durante el enfriamiento desde la temperatura de vertido hasta la de solidificación hace que la altura del líquido se reduzca de su nivel inicial, como se ilustra en el inciso
1 de la figura. La cantidad de esta contracción líquida por lo general es de alrededor de 0.5%. La
contracción por solidificación que se observa en el inciso 2, tiene dos efectos. En primer lugar,
ocasiona una reducción adicional en la altura del fundido. En segundo, la cantidad de metal líquido disponible para alimentar la porción central superior del fundido se ve restringida. En general
ésta es la última región que se solidifica, y la ausencia de metal crea un vacío en esa ubicación del
fundido. Los trabajadores de la fundición llaman rechupe a esa cavidad por contracción. Una vez
que se solidifica, el fundido experimenta más contracción de su altura y diámetro durante su enfriamiento, como se aprecia en el inciso 3 de la figura. Esta contracción está determinada por el
FIGURA 5.6 Contracción de un fundido cilíndrico durante la solidificación
y enfriamiento: 0) nivel de
inicio del metal fundido
inmediatamente después del
vertido; 1) reducción del
nivel ocasionado por la
contracción líquida durante
el enfriamiento; 2) disminución de la altura y formación de una cavidad de
contracción ocasionada por
la contracción de la solidificación, y 3) reducción adicional de la altura y diámetro debido a la contracción
térmica durante el enfriamiento del metal sólido. Por
claridad, las reducciones
dimensionales se han exagerado en los dibujos. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a.
ed., de Mikell P. Groover,
2010. Reimpreso con autorización de John Wiley &
Sons, Inc.)
Reducción del nivel
debido a la contracción
líquida
Nivel de inicio
inmediatamente
después del vertido
Solidificación
inicial en la
pared del molde
Metal fundido
0)
1)
Reducción de la
altura debido a la
contracción por
solidificación
Contracción
térmica del
sólido
Cavidad de
contracción
Metal fundido
Metal sólido
2)
3)
104 CAPÍTULO 5
Fundamentos de la fundición de metales
TABLA 5.1 Valores comunes de contracción lineal para distintos metales de fundición debido a la contracción
térmica por solidificación
Metal
Contracción
lineal
Metal
Contracción
lineal
Aleaciones de aluminio
Latón, amarillo
Hierro colado, gris
Hierro colado, blanco
1.3%
1.3%-1.6%
0.8%-1.3%
2.1%
Magnesio
Aleación de magnesio
Níquel
Acero al carbono
2.1%
1.6%
2.1%
1.6%-2.1%
Metal
Contracción
lineal
Acero al cromo
Estaño
Zinc
2.1%
2.1%
2.6%
Recopilado de [10].
coeficiente de expansión térmica del metal, que en este caso se aplica a la inversa para determinar
la contracción.
La contracción por solidificación ocurre en casi todos los metales porque la fase sólida tiene
una densidad mayor que la líquida. La transformación de fase que acompaña a la solidificación
ocasiona una reducción del volumen por unidad de peso del metal. La excepción es el hierro
colado con alto contenido de carbono, cuya solidificación se complica por la existencia de un
periodo de grafitización, lo que origina una expansión que tiende a compensar la disminución
volumétrica que se asocia con el cambio de fase [7]. La compensación para la contracción por
solidificación se logra de diversas formas dependiendo de la operación de fundido. En la fundición en arena, el metal líquido se vierte en la cavidad por medio de mazarotas (sección 5.3.5). En
la fundición en troquel (sección 6.3.3), el metal fundido se aplica bajo presión.
Los modelistas intervienen en la contracción por solidificación y en la térmica, porque hacen
que las cavidades del molde aumenten su tamaño. La cantidad en la que el molde debe hacerse
más grande en relación con el tamaño del fundido final se denomina tolerancia por contracción
del modelo. Aunque la contracción es volumétrica, las dimensiones del fundido casi siempre se
expresan linealmente, por lo que las tolerancias deben aplicarse en concordancia. Para hacer los
modelos y moldes más grandes que el fundido que se desea en la cantidad apropiada, se usan
“reglas de contracción” especiales con escalas elongadas ligeramente. En la tabla 5.1 se presentan los valores comunes de contracción lineal para distintos metales fundidos; estos valores pueden usarse para determinar escalas de contracción.
5.3.4
Solidificación direccional
A fin de minimizar los efectos del daño que causa la contracción, es deseable que las regiones del
fundido más lejos del suministro de metal líquido se solidifiquen primero, y que este proceso
avance desde ellas hacia la(s) mazarota(s). De esta manera, se dispone en forma continua de
metal derretido en los vertedores para impedir que se formen vacíos de contracción durante la
solidificación. El término solidificación direccional se utiliza para describir este aspecto del
proceso de solidificación y los métodos con los que se controla. La solidificación direccional
deseada se logra aplicando la regla de Chvorinov en el diseño del fundido en sí, su orientación
dentro del molde y el diseño del sistema de la mazarota que lo alimenta. Por ejemplo, si se colocan secciones del fundido con razones V/A menores lejos de la mazarota, la solidificación ocurrirá primero en esas regiones, y el suministro de metal líquido para el resto del fundido permanecerá abierto hasta que se solidifiquen dichas secciones voluminosas.
Tan importante como el inicio de la solidificación en regiones apropiadas de la cavidad, es
evitar la solidificación prematura en las secciones del molde más cerca de la mazarota. El pasaje
entre la mazarota y la cavidad principal tiene importancia particular. Esta conexión debe diseñarse de modo que no se solidifique antes que el fundido, lo que aislaría al fundido del metal fundido de la mazarota. Aunque por lo general es deseable minimizar el volumen en la conexión (para
reducir el desperdicio de metal), el área de la sección transversal debe ser suficiente a fin de retrasar la solidificación. Este objetivo se facilita si se hace corto el pasaje, de modo que absorba
calor del metal fundido en la mazarota y en el fundido.
connection
must
be designed
designed
in such
such aa way
way
that it
it the
doesriser
not and
freeze
before
the casting,
casting,
Of particular
concern
is the passageway
between
thebefore
main cavity.
This
connection
must
be
in
that
does
not
freeze
the
generally
desirable
todesigned
minimize
the
volume
in
the it
connection
(to
reduce
wasted
metal),
connection
must
be
in
such
aa the
way
that
does
not
freeze
before
the
casting,
which
would
isolate
the
casting
from
molten
metal
in
the
riser.
Although
it is
is
connection
must
be
designed
in
such
way
that
it
does
not
freeze
before
the
casting,
which
would
isolate
the
casting
from
the
molten
metal
in
the
riser.
Although
it
the
cross-sectional
area
must
bethe
sufficient
to
delay
the onset
of reduce
freezing.
This metal),
goal
is
which
would
isolate
the
casting
from
the
molten
metal
in
the
riser.
Although
it
generally
desirable
to
minimize
volume
in
the
connection
(to
wasted
which
would
isolate
the
casting
from
the
molten
metal
in
the
riser.
Although
it
is
generally
desirable
to
minimize
the
volume
in
the
connection
(to
reduce
wasted
metal),
usually
aided
by
making
the
passageway
short
in
length,
so
that
it
absorbs
heat
from
the
generally
desirable
to
minimize
the
volume
in
the
connection
(to
reduce
wasted
metal),
the
cross-sectional
area
must
be
sufficient
to
delay
the
onset
of
freezing.
This
goal
is
generally
desirable
to
minimize
the
volume
in
the
connection
(to
reduce
wasted
metal),
the
cross-sectional
be
to
delay
the
onset
of freezing.
This
goal
is
molten
metal by
in making
thearea
risermust
and
thesufficient
casting.
the
area
must
be
sufficient
to
delay
the
onset
freezing.
This
goal
is
usually
aided
the
passageway
short
in
length,
so
that of
it absorbs
absorbs
heat
from
the
the cross-sectional
cross-sectional
area
must
be
sufficient
to in
delay
the so
onset
of
freezing.heat
This
goalthe
is
usually
aided
by
making
the
passageway
short
length,
that
it
from
usually
aided
by
making
the
passageway
short
in
length,
so
that
it
absorbs
heat
from
the
molten
metal
in
the
riser
and
the
casting.
usually
aided
by
making
the
passageway
short
in
length,
so
that
it
absorbs
heat
from
the
molten
metal in
the riser
and the
casting.
molten
5.3 Solidificación y enfriamiento 105
molten metal
metal in
in the
the riser
riser and
and the
the casting.
casting.
5.3.5
5.3.5
5.3.5
5.3.5
5.3.5
5.3.5
RISER DESIGN
RISER
DESIGN
As described earlier, a riser, Figure 5.1(b), is used in a sand-casting mold to feed liquid
RISER
DESIGN
Diseño
de la mazarota
RISER
RISER DESIGN
DESIGN metal
to the casting
in orderisto
compensate
for solidification
shrinkage.
As described
earlier,during
a riser,freezing
Figure 5.1(b),
used
in a sand-casting
mold to feed
liquid
Example5.5
5.2 Riser
Ejemplo
Design
Using
Diseño
de
la Riser
Example 5.2
5.2
Example
Riser
Example
5.2 Rule
Riser
Chvorinov’s
mazarota
con
la
Design Using
Using
Example
5.2 Riser
Design
Design
Using
regla
de Using
Chvorinov
Chvorinov’s
Rule
Design
Chvorinov’s
Rule
Chvorinov’s
Chvorinov’s Rule
Rule
As
earlier,
aamust
riser,
Figure
5.1(b),
is
used
aathe
sand-casting
mold
to
feed
Como
ya se describió,
la mazarota
[véasemolten
la
figurauntil
sein
en un molde
de fundición
con
As described
described
earlier,
riser,remain
Figure
5.1(b),
is5.1b)]
used
inemplea
sand-casting
mold
toChvorinov’s
feed liquid
liquid
To
function,
the
riser
after
casting
solidifies.
metal
toalimentar
the casting
casting
during
freezing
in order
order
to
compensate
for solidification
solidification
shrinkage.
As para
described
earlier,
a riser,
Figure
5.1(b),
isto
used
insolidificación,
a sand-casting
mold
todefeed
liquid
metal
to
the
during
freezing
in
compensate
for
shrinkage.
arena
el
metal
líquido
al
fundido
durante
la
con
objeto
compenmetal
to
the
casting
during
freezing
in
order
to
compensate
for
solidification
shrinkage.
rule
can
be used
to during
compute
the size
of
a until
riser
that will
satisfy
this
requirement.
The
To
function,
the
riser
must freezing
remain
molten
after
the casting
casting
solidifies.
Chvorinov’s
metal
to the
casting
inque
order
to compensate
for
solidification
shrinkage.
the
must
molten
until
the
solidifies.
Chvorinov’s
sarTo
la function,
contracción
porriser
solidificación.
Para
funcione,
la mazarota
debe
permanecer
derretida
To
function,
the
riser
must remain
remain
molten
until after
after
the casting
solidifies.
Chvorinov’s
following
example
illustrates
the
calculation.
rule
can be
be used
used
to
compute
the
size
of La
a until
riser
that
will
satisfy
this
requirement.
The
To después
function,
the
must remain
molten
the casting
solidifies.
rule
to
size
that
will
requirement.
hasta
queriser
el compute
fundido
solidifica.
reglaafter
de Chvorinov
se this
utiliza
paraChvorinov’s
calcularThe
el
rule can
can bede
used
to
computesethe
the
size of
of aa riser
riser
that
will satisfy
satisfy
this
requirement.
The
following
example
illustrates
the
calculation.
rule
can
be
used
to
compute
the
size
of
a
riser
that
will
satisfy
this
requirement.
following
illustrates
tamaño
de la example
mazarota que
satisfaráthe
esecalculation.
requerimiento. El ejemplo siguiente ilustra el cálculo.The
following
example
illustrates
the
calculation.
following example illustrates the calculation.
A cylindrical
must cilíndrica
be designed
sand-casting
mold.enThe
casting
itself isenasísteel
Debe
diseñarse lariser
mazarota
parafor
unamolde
de fundición
arena.
El fundido
es
plate
with
dimensions
7.5
cm
�
12.5
cm
�
2.0
cm.
Previous
observations
have
unarectangular
placa
rectangular
de
acero
con
dimensiones
de
7.5
cm
×
12.5
cm
×
2.0
cm.
Observaciones
A cylindrical
cylindrical riser
riser must
must be
be designed
designed for
for aa sand-casting
sand-casting mold.
mold. The
The casting
casting itself
itself is
is aa steel
steel
A
A cylindrical
riser
must
be designed
for
a sand-casting
mold.
The
itself
a steel
for
this
casting
¼ casting
1.6 observations
min.
The
cylinder
indicated
that
the
total
solidification
time
(T
anteriores
indican
quewith
el tiempo
total de
solidificación
(TTS
)2.0
para
este
fundido
es de
1.6 is
min.
La
TS)cm
rectangular
plate
dimensions
7.5
cm
�
12.5
�
cm.
Previous
have
A
cylindrical
riser
must
be
designed
for
a
sand-casting
mold.
The
casting
itself
is
a
steel
rectangular
plate
with
7.5
cm
cm
�
2.0
cm.
Previous
observations
have
rectangular
plate
with adimensions
dimensions
7.5
cm �
� 12.5
12.5
cm
�
2.0
cm.
Previous
observations
have
for
the
riser
will
have
diameter-to-height
ratio
¼
1.0.
Determine
the
dimensions
of
the
mazarota
cilíndrica
tendrá
una
relación
diámetro
a
altura
de
1.0.
Determine
las
dimensiones
del
)cm
for�this
this
casting
¼ 1.6
1.6 min.
min. The
The cylinder
cylinder
indicated
that
thewith
totaldimensions
solidification
time
rectangular
plate
7.5 time
cm �(T
12.5
2.0 casting
cm. Previous
observations
have
TS)
for
¼
indicated
that
total
solidification
indicated
thatitsthe
the
total
solidification
time (T
(TTS
TS) for this casting ¼ 1.6 min. The cylinder
¼
2.0
min.
riser
so
that
T
vertedor
de
modo
que
T
=
2.0
min.
TS
TS
TS
for the
the riser
will
have
a diameter-to-height
ratio
¼
dimensions
of the
the
for1.0.
thisDetermine
casting ¼ the
1.6 min.
The cylinder
indicated
that
the
total
solidification time (T
TS) ¼
for
for the riser
riser will
will have
have aa diameter-to-height
diameter-to-height ratio
ratio
¼ 1.0.
1.0. Determine
Determine the
the dimensions
dimensions of
of the
¼
2.0
min.
riser
so
that
its
T
for
the
riser
will
have
a
diameter-to-height
ratio
¼
1.0.
Determine
the
dimensions
of
the
TS
Solución:
En
primer
lugar
se
determina
la
relación
V/A
para
la
placa.
Su
volumen
V
=
7.5
×¼
Solution:
First,
determine
the
V/A
ratio
for
the
plate.
Its
volume
V
¼
7.5
�
12.5
�
2.0
¼
riser
its
¼ 2.0
2.0 min.
min.
riser so
so that
that
its T
TTS
TS
3
2
3, ¼
2.0
min.
riser
so
that
its its
TTS
12.5
×
2.0
=
187.5
cm
y
el
área
de
su
superficie
es
A
=
2(7.5
×
12.5
+
7.5
×
2.0
+
12.5
×
2.0)
,
and
surface
area
A
¼
2(7.5
�
12.5
þ
7.5
�
2.0
þ
12.5
�
2.0)
¼
267.5
cm
187.5
cm
TS
Solution:2 First,
First, determine
determine
the V/A
V/A ratio
ratio for
for the
the plate.
plate. Its
Its volume
volume V
V¼
¼ 7.5
7.5 �
� 12.5
12.5 �
� 2.0
2.0 ¼
¼.
Solution:
the
3. T
2
= 187.5
267.5 cm
cm
Dado
TTS =we
1.6
min,
determina
la
del
molde,
CEq.
a¼
partir
de
la¼
1.6
min,
can
determine
(5.7),
using
Given
that
Solution:
First,
determine
the
ratio
for
the
plate.
Its
volume
V
12.5
�
2.0
m,�
TS ¼
m from
33, and
22a.
itsque
surface
area
AV/A
¼ se
2(7.5
�
12.5
þconstante
7.5constant
� 2.0
2.0
þC12.5
12.5
� 7.5
2.0)
267.5
cm
Solution:
First,
determine
the
V/A
ratio �
forthe
themold
plate.
Its
volume
V¼
¼
7.5
�¼
12.5
�
2.0
¼
its
surface
area
A
¼
2(7.5
12.5
þ
7.5
�
þ
�
2.0)
267.5
cm
187.5
cm
3, and
2.
ecuación
(5.7),
con
el
uso
de
un
valor
de
n
=
2
en
ella.
value
of
n
¼
2
in
the
equation.
,
and
its
surface
area
A
¼
2(7.5
�
12.5
þ
7.5
�
2.0
þ
12.5
�
2.0)
¼
267.5
cm
187.5
cm
3
2.
¼
1.6
min, we
we
can
determine
the
mold
constant
C12.5
from
Eq. (5.7),
(5.7),
using
Givencm
that
TTS ¼
, and
its
surface
area
A
¼
2(7.5
�
12.5
þ
7.5
�
2.0
þ
�
2.0)
¼
267.5
cm
.
187.5
m from
1.6
min,
can
determine
the
mold
constant
C
Eq.
using
aa
Given
that
T
m
¼
1.6
min,
we
can
determine
the
mold
constant
C
from
Eq.
(5.7),
using
a
Given that TTS
TS
m
TS
m
value
of
n
¼
2
in
the
equation.
¼
1.6
min,
weTcan
determine1:6
the mold constant Cm from
Eq.
(5.7),
using
a
Givenof
that
TTS
value
n
¼
2
in
the
equation.
TS
value of n ¼ 2 in the
¼
¼
¼ 3:26 min=cm2 Cmequation.
value of n ¼ 2 in the
equation.
2
2
ð187:5=267:5Þ
ðV=AÞ
T
1:6
TS
1:6
TS
¼ T
¼
¼ 3:26 min=cm22
Cm ¼
TS 2 ¼
T
1:6
C
2 ¼ 3:26 min=cm 2
T TS
1:6
Cm
22 ¼ 3:26 min=cm2
TS 22 ¼ ð187:5=267:5Þ
m ¼ ðV=AÞ
2
m
ðV=AÞ
2 ¼ ð187:5=267:5Þ
Next we must
design
so that
itsdetotal
solidification
is 2.0
min, using the
same
3:26time
min=cm
Cthe
m ¼riser
A continuación
debe
diseñarse
la mazarota
modo
que 22su¼tiempo
total
de solidificación
sea
de
2
ð187:5=267:5Þ
ðV=AÞ
ð187:5=267:5Þ
ðV=AÞ
value
of
mold
constant.
The
volume
of
the
riser
is
given
by
2.0Next
min, we
conmust
el empleo
del
mismo
valor
de
la
constante
del
molde.
El
volumen
de
la
mazarota
Next
we
must
design
the
riser
so
that
its
total
solidification
time
is
2.0
min,
using
the
same
design the
riser
so
that its
total solidification
time is
2.0 min,
using the
same
Next
must
the
riser
so
solidification
está
dadowe
por
value
of
mold
constant.
The
volume
oftotal
thepriser
riser
is given
given time
by is
2 is
Next
we
must design
design
the The
riservolume
so that
that its
its
total
solidification
time
is 2.0
2.0 min,
min, using
using the
the same
same
value
of
mold
constant.
of
the
by
D
h
value
is
given
by
V the
¼ riser
value of
of mold
mold constant.
constant. The
The volume
volume of
of
the
riser
is
given
by
4 222 h
pD
D
p
2h
V
¼
p
D
2 hD2
¼
h
V
¼ pþD
42p
and the surface area is given by A ¼ V
p
Dh
4
V¼ 4 4 2
42p
Since
we are
using
a D/H
ratio
¼
1.0,þthen
2p D22D ¼ H. Substituting D for H in the
and
the
surface
area
is
given
by
A
¼
p Dh
2p4D
D2
A
and
surface
area
is
by
y el
áreathe
deand
la
superficie
está
dada
por
D
and
the
surface
area
is given
given
by
A¼
¼p
p Dh
Dh þ
þ 2p
2
volume
area
formulas,
we
get
2p44
4D D ¼ H. Substituting D for H in the
Since
we
are
using
a
D/H
ratio
¼
1.0,
then
and
the
surface
area
is
given
by
A
¼
p
Dh
þ
Since
we
are
D/H
ratio
1.0,
then
¼
H.
Substituting
for
H
in
the
Como
se está
unaaarazón
Al sustituir D
4 D
Since
we usando
are using
using
D/H D/H
ratio=¼
¼1.0,
1.0,entonces,
then
DD
¼=
H.H.
Substituting
D por
for H
H en
in las
the
volume
and
area
formulas,
we get
get
3
Since
we
are
using
a D/H
ratioV¼¼1.0,
then
D ¼ H. Substituting D for H in the
volume
and
area
formulas,
we
fórmulas
del
volumen
y
área,
se
obtiene
=4
p
D
volume
volume and
and area
area formulas,
formulas, we
we get
get
=4
V¼
¼p
pD
D3333=4
V
and
V¼
¼p
pD
D
V
=4
V ¼ p D3 =4
and
2
2
2
A ¼ p D þ 2p D =4 ¼ 1:5p D
and
y and
and
and
2
2
2
22 þ 2p D22 =4 ¼ 1:5p D22
A
¼ pD
D
2p Din
¼ 1:5p D 2 equation, we have
¼
Thus the V/A ratio ¼ D/6. A
Using
this
Chvorinov’s
2 þratio
2=4
A
¼p
pD
2 þ 2p D2 =4 ¼ 1:5p D2
D =4
¼ 1:5p D
A ¼ p D þ 2p
Chvorinov’s
Thus
the
V/A
ratio
¼
D/6.
Using
this
ratio
in
equation,
we have
have
2
Thus the
V/A
ratio ¼
D/6.
Using
this
ratio
in
Chvorinov’s
equation,
we
D
2
the
V/A
D/6.
Using
this
ratio
in
Chvorinov’s
equation,
we
have
¼de2:0
¼ razón
3:26
¼
0:09056
D
Así,Thus
la razón
D/6. ¼
Con
elT TS
uso
esta
en
la
ecuación
de
Chvorinov,
se
tiene
Thus
the V/A
V/A=ratio
ratio
¼
D/6.
Using
this
ratio
in
Chvorinov’s
equation,
we
have
6
D
D2222
2
T TS2 ¼
¼ 2:0
2:0 ¼
¼ 3:26
3:26D2 ¼
¼ 0:09056
0:09056
D222
T
TS
D
2:0=0:09056
cm2 D
6¼ 22:086
TS
TD
2:0
¼
3:26
¼
0:09056
D
TS ¼
6
T
¼
2:0
¼
3:26
¼
0:09056
D2
6
TS
2
2
6
D2 ¼ 2:0=0:09056
4:7
cm
D
2:0=0:09056
¼ 22:086
22:086 cm222
D
D222 ¼
¼ 2:0=0:09056 ¼
¼ 22:086 cm
cm
D
¼
2:0=0:09056
¼
22:086 cm2
D
¼
4:7
cm
¼
cm
&
Since H ¼ D, then H ¼ 4.7D
also.
Dcm
¼ 4:7
4:7
cm
D ¼ 4:7 cm
&
Since H
H ¼ D,
D, then H
H ¼ 4.7
4.7 cm also.
also.
&
Since
&
Since H ¼
¼ D, then
then H ¼
¼ 4.7 cm
cm also.
&
Since
H
¼
D,
then
H
¼
4.7
cm
also.
Como H = D, entonces también H = 4.7 cm.
■&
La mazarota representa un desperdicio de metal que debe separarse de la pieza fundida y
volverse a fundir en operaciones posteriores. Es deseable que el volumen de metal en la mazarota sea mínimo. Como la forma de la mazarota normalmente se selecciona para maximizar la razón V/A, esto tiende a reducir el volumen de aquél tanto como sea posible. Obsérvese que el volumen de la mazarota del ejemplo es V = π(4.7)3/4 = 81.5 cm3, que es sólo 44% del volumen de
la placa (fundido), aun cuando su tiempo total de solidificación es mayor en 25%.
Las mazarotas se diseñan de formas distintas. El diseño que se muestra en la figura 5.1b) es
una mazarota lateral. Se adjunta al lado del fundido por medio de un canal pequeño. Una maza-
106 CAPÍTULO 5
Fundamentos de la fundición de metales
rota superior es aquella que se conecta a la superficie superior del fundido. Las mazarotas son
abiertas o ciegas. Una mazarota abierta está expuesta al exterior en la superficie superior del
marco superior. Esto tiene la desventaja de permitir que escape más calor, lo que favorece la solidificación más rápida. Una mazarota ciega está cerrada por completo dentro del molde, como
se ve en la figura 5.1b).
Referencias
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Preguntas de repaso
5.1. Identifique algunas de las ventajas importantes de los procesos para obtener formas con fundición.
5.2. ¿Cuáles son algunas de las limitaciones y desventajas de la
fundición?
5.3. ¿Cómo se llama por lo general a la fábrica que ejecuta operaciones de fundición?
5.4. ¿Cuál es la diferencia entre un molde abierto y uno cerrado?
5.5. Mencione los dos tipos básicos de molde que diferencian a
los procesos de fundición.
5.6. ¿Cuál es el proceso de fundición de mayor importancia comercial?
5.7. ¿Cuál es la diferencia entre un modelo y un núcleo, en el
moldeo en arena?
5.8. ¿Qué significa el término sobrecalentamiento?
5.9. ¿Por qué debe evitarse el flujo turbulento de un metal fundido en el molde?
5.10. ¿Cuál es la ley de la continuidad según se aplica al flujo de
metal derretido en la fundición?
5.11. ¿Qué significa calor de fusión en el contexto de la fundición?
5.12. ¿En qué difiere la solidificación de aleaciones de la solidificación de los metales puros?
5.13. ¿Qué es una aleación eutéctica?
5.14. ¿Cuál es la relación conocida como regla de Chvorinov en la
fundición?
5.15. Identifique las tres fuentes de contracción en la fundición de
un metal después del vertido.
Problemas 107
Problemas
5.1. El bebedero que conduce al vaciadero de cierto molde tiene
una longitud de 175 mm. El área de la sección transversal en
la base del bebedero es de 400 mm2. La cavidad del molde
tiene un volumen de 0.001 m3. Determine a) la velocidad del
metal fundido que fluye a través de la base del bebedero,
b) el gasto volumétrico y c) el tiempo que se requiere para
llenar la cavidad del molde.
5.2. Un molde tiene un bebedero con longitud de 6.0 pulg. El
área de la sección transversal en el fondo del bebedero es de
0.5 pulg2. El bebedero lleva a un vaciadero horizontal que
alimenta la cavidad del molde, cuyo volumen es de 75 pulg3.
Determine a) la velocidad del metal fundido que fluye a través de la base del bebedero, b) el gasto volumétrico y c) el
tiempo que se requiere para llenar la cavidad del molde.
5.3. El gasto del metal líquido en el bebedero de un molde es de
1 litro/s. El área de la sección transversal en la parte superior
del bebedero es de 800 mm2, y su longitud es de 175 mm.
¿Cuál es el área que debe usarse en la base del bebedero para
evitar la aspiración de metal fundido?
5.4. El gasto volumétrico de metal fundido hacia el bebedero
desde el embudo es de 50 pulg3/s. En la parte superior, donde el embudo lleva al bebedero, el área de la sección transversal es de 1.0 pulg2. Determine cuál debe ser el área en la
parte inferior del bebedero si su longitud es de 8.0 pulg. Se
desea mantener un gasto constante arriba y abajo, a fin de
evitar la aspiración del metal líquido.
5.5. Va a verterse metal fundido al embudo de un molde de arena,
a una tasa estable de 1 000 cm3/s. El metal fundido sobrepasa al embudo y fluye hacia el bebedero. La sección transversal del bebedero es redonda, con diámetro superior de 3.4
cm. Si el bebedero mide 25 cm de largo, determine el diámetro apropiado en su base de modo que se mantenga el mismo
gasto volumétrico.
5.6. Determine la regla de contracción que deben usar los modelistas para el hierro colado blanco. Exprese su respuesta en
términos de fracciones decimales de pulgadas de elongación
por pie de longitud, en comparación con una regla estándar
de un pie. Utilice los valores de contracción que se dan en la
tabla 5.1.
5.7. Determine la regla de contracción que usarán los modelistas
para la fundición por troquel de zinc. Exprese su respuesta
en términos de fracciones decimales de milímetros de elongación por 300 mm de longitud, en comparación con una
regla estándar de 300 mm. Utilice los valores de contracción
que se dan en la tabla 5.1.
5.8. Una placa plana se va a fundir en un molde abierto cuya base
tiene una forma cuadrada de 200 mm por 200 mm. El molde
tiene 40 mm de profundidad. Se vierte un total de 1 000 000
mm3 de aluminio fundido en el molde. Se sabe que la contracción volumétrica por solidificación es de 6.0%. En la tabla 5.1 se observa que la contracción lineal debida a la contracción térmica después de la solidificación es de 1.3%. Si
la disponibilidad de metal fundido en el molde permite que la
forma cuadrada de la placa fundida mantenga sus dimensio-
5.9.
5.10.
5.11.
5.12.
5.13.
5.14.
5.15.
5.16.
nes de 200 mm × 200 mm hasta que se completa la solidificación, determine las dimensiones finales de la placa.
En el fundido de acero en ciertas condiciones de molde, por
experiencias anteriores se sabe que la constante de éste para
la regla de Chvorinov es de 4.0 min/cm2. El fundido es una
placa plana que mide 30 cm de longitud, 10 cm de ancho y
20 mm de espesor. Determine cuánto tiempo tomará que el
molde se solidifique.
Resuelva para el tiempo de solidificación total del problema
anterior, con el uso de un exponente de 1.9 pulg en lugar de
2.0 en la regla de Chvorinov. ¿Qué ajuste debe hacerse en las
unidades de la constante del molde?
Una parte con forma de disco va a fundirse con aluminio. El
diámetro del disco es de 500 mm, y su espesor de 20 mm. Si
la constante del molde es de 2.0 s/mm2 en la regla de Chvorinov, ¿cuánto tiempo tomará que el fundido se solidifique?
En experimentos de fundición llevados a cabo con cierta
aleación y tipo de molde de arena, tomó 155 s para que se
solidificara un fundido en forma de cubo. El cubo medía 50
mm de lado. a) Determine el valor de la constante del molde
en la regla de Chvorinov. b) Si se utilizan la misma aleación
y tipo de molde, encuentre el tiempo total de solidificación
para un fundido cilíndrico con diámetro de 30 mm y longitud
de 50 mm.
Un fundido de acero tiene una forma cilíndrica de 4.0 pulg
de diámetro y pesa 20 libras. A este fundido le toma 6.0 minutos solidificarse por completo. Otro fundido de forma cilíndrica con la misma razón de diámetro a longitud pesa 12
libras. Está hecho del mismo acero, y se emplearon las mismas condiciones de molde y contracción. Determine: a) la
constante del molde en la regla de Chvorinov, b) las dimensiones y c) el tiempo total de solidificación del fundido más
ligero. La densidad del acero es de 490 lb/pie3.
Van a compararse los tiempos totales de solidificación de
tres formas de fundido: 1) esfera, 2) cilindro, en el que la
razón longitud a diámetro es de 1.0 y 3) cubo. Para las tres
formas el volumen es de 1 000 cm3 y va a emplearse la misma aleación para el fundido. a) Determine los tiempos relativos de solidificación para cada forma. b) Con base en los
resultados del inciso a) diga ¿cuál elemento geométrico sería
la mazarota mejor? c) Si la constante del molde es de 3.5
min/cm2 en la regla de Chvorinov, calcule el tiempo total de
solidificación para cada fundido.
Va a usarse una mazarota cilíndrica para un molde de fundición con arena. Para un volumen dado de cilindro, determine
la razón diámetro a longitud que maximiza el tiempo de solidificación.
Se va a diseñar una mazarota cilíndrica para un molde de
fundición con arena. La longitud del cilindro va a ser 1.25
veces su diámetro. El fundido es una placa cuadrada con lado de 10 pulg y espesor de 0.75 pulg. Si el metal es hierro
colado y la constante del molde es de 16.0 min/pulg2 en la
regla de Chvorinov, determine las dimensiones de la mazarota de modo que le tome 30% más tiempo solidificarse.
6
Procesos de fundición
de metales
CONTENIDO DEL CAPÍTULO
6.1
6.2
6.3
Fundición en arena
6.1.1 Modelos y corazones
6.1.2 Moldes y su fabricación
6.1.3 La operación de fundición
Otros procesos de fundición con moldes
desechables
6.2.1 Moldeo en cáscara
6.2.2 Procesos de poliestireno expandido
6.2.3 Fundición por revestimiento
6.2.4 Fundición con moldes de yeso
y material cerámico
Procesos de fundición con moldes
permanentes
6.3.1 El proceso básico con moldes
permanentes
Variaciones de la fundición con moldes
permanentes
6.3.3 Fundición con dados
6.3.4 Fundición por dado impresor y fundición
de metales semisólidos
6.3.5 Fundición centrífuga
La práctica de la fundición
6.4.1 Hornos
6.4.2 Vaciado, limpieza y tratamiento térmico
6.3.2
6.4
6.5
6.6
6.7
Calidad de la fundición
Metales para fundición
Consideraciones sobre el diseño del producto
Los procesos de fundición de metales se dividen en dos categorías, con base en el tipo de molde:
1) moldes desechables y 2) moldes permanentes. En las operaciones de fundición con un molde
desechable, éste se sacrifica con objeto de retirar la pieza fundida. Debido a que para cada fundición se requiere un molde nuevo, es frecuente que las tasas de producción con procesos de moldes desechables estén limitadas por el tiempo que se requiere para hacer el molde, más que por
el que se necesita para el producto fundido en sí. Sin embargo, para ciertas formas de las piezas,
los moldes de arena pueden producirse y hacerse las fundiciones a tasas de 400 piezas por hora y
aún más. En los procesos de fundición con moldes permanentes, se fabrica el molde con metal (u
otro material duradero) y se emplea muchas veces para elaborar un gran número de fundiciones.
En consecuencia, estos procesos tienen una ventaja natural en términos de tasas de producción.
El estudio de los procesos de fundición está organizado en este capítulo como sigue: 1) fundición en arena, 2) otros procesos de fundición con moldes desechables y 3) procesos de fundición con moldes permanentes. El capítulo también incluye el equipo y prácticas de fundición que
se emplean en las fundidoras. Otra sección se ocupa de la inspección y temas de calidad. En la
sección final se presentan los lineamientos para el diseño de productos.
6.1 Fundición en arena
La fundición en arena es el proceso más ampliamente usado en los procesos de fundición, ya que
cuenta con la gran mayoría del tonelaje total de los productos obtenidos por fundición. Casi todas
las aleaciones de fundición pueden generarse por el proceso con arena; de hecho, es uno de los
pocos procesos que pueden usarse para metales y/o sus aleaciones con temperaturas de fusión
6.1
Fabricación del corazón
(si fuera necesario)
Fabricación
del modelo
Arena
Preparación
de la arena
Fabricación
del molde
Materia
prima
Fundición
Vaciado
Solidificación
y enfriamiento
Remoción del
molde de arena
Fundición en arena 109
Limpieza e
inspección
Fundición
terminada
FIGURA 6.1 Secuencia de las etapas de la producción en la fundición con arena. Se incluye no sólo la operación de fundición sino
también la fabricación del modelo y la fabricación del molde. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P.
Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)
elevadas, como los aceros, el níquel y sus aleaciones y el titanio y sus aleaciones. Su versatilidad
permite la fundición de piezas cuyos tamaños varían de pequeñas a muy grandes y en cantidades
de producción que van desde una a millones.
La fundición en arena, también conocida como fundición en molde de arena, consiste en
el vaciado del metal fundido en un molde de arena, y dejar que dicho metal solidifique, para
posteriormente romper el molde y retirar el producto fundido. La fundición debe limpiarse e
inspeccionarse, y en ocasiones se requiere de un tratamiento térmico a fin de mejorar sus propiedades metalúrgicas. La cavidad del molde de arena se forma por la compresión de arena alrededor de un modelo (un duplicado aproximado de la pieza a fundir), y luego se retira el modelo por
medio de la separación del molde en sus dos mitades. El molde también contiene el sistema de
compuerta o sistema de alimentación y el de mazarota. Además, si la fundición va a tener superficies interiores (por ejemplo, partes huecas o con orificios), debe incluirse un corazón en el
molde. Como éste se sacrifica para retirar el producto fundido, debe hacerse un molde nuevo por
cada pieza que se produce. De esta descripción breve, se considera que la fundición con arena no
sólo es la operación para generar la pieza fundida en sí, sino también la fabricación del modelo y
la manufactura del molde. La secuencia de producción se presenta en la figura 6.1.
6.1.1
Modelos y corazones
La fundición con arena requiere un modelo, es decir, un “patrón” de tamaño real de la pieza,
aunque más grande para que sean consideradas las tolerancias por contracción y maquinado en el
fundido final. Los materiales que son utilizados para fabricar modelos incluyen la madera, los
plásticos y los metales. La madera es un material común para hacer modelos debido a la facilidad
para darle forma. Sus desventajas son que tiende a deformarse y la arena que se compacta alrededor de ella la puede rayar, lo que limita el número de veces que puede volver a utilizarse. Los
modelos de metal son más caros, pero duran mucho más. Los plásticos representan una solución
intermedia entre la madera y el metal. La selección del material apropiado para el modelo depende mucho de la cantidad total de fundiciones a producir.
Como se ilustra en la figura 6.2, hay varios tipos de modelos. El más simple está hecho de
una sola pieza y recibe el nombre de modelo sólido, tiene la misma forma que el de la fundición
y su tamaño está ajustado para la contracción y el maquinado. Aunque es el modelo más fácil de
fabricar, no es el más fácil de usar en la elaboración de moldes de arena. La determinación de la
ubicación de la línea de partición de las dos mitades del molde de un modelo sólido puede ser un
problema, y la incorporación del sistema de compuertas y la mazarota al molde queda a juicio y
habilidad del trabajador que funde. En consecuencia, los modelos sólidos se limitan por lo general a cantidades muy bajas de producción.
110 CAPÍTULO 6
Procesos de fundición de metales
Modelo
Modelo de la mazarota
Modelo del
semimolde superior
Placa
Sistema
de compuerta
a)
b)
c)
d)
Modelo del
semimolde
inferior
FIGURA 6.2 Tipos de modelos que se emplean en la fundición con moldes de arena: a) sólido, b) dividido, c) de placa de acoplamiento
y d) modelo para semimoldes superior e inferior. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010.
Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)
Los modelos divididos consisten en dos piezas, que separan la pieza a lo largo de un plano
que coincide con la línea de partición del molde. Los modelos divididos son apropiados para
piezas con configuraciones geométricas complejas y cantidades moderadas de producción. La
línea de partición del molde está predeterminada por las dos mitades del modelo, y no se deja al
criterio del operador.
Para cantidades de producción mayores se emplean modelos de placas ajustadas o de capucha y base. En los modelos de placas de acoplamiento, las dos piezas del modelo dividido están
sujetas a los lados opuestos de una placa de madera o metal. Los orificios en la placa permiten
que las secciones superior e inferior (cope and drag respectivamente en inglés y base) del molde
se alineen en forma adecuada. Los modelos para semimoldes superior e inferior son similares a
los de placa, excepto que las mitades que se separan están ajustadas a placas diferentes, de modo
que las secciones del semimolde superior e inferior del molde se fabrican de manera independiente en lugar de usar las mismas herramientas para ambas. En el inciso d) de la figura se muestra el sistema de compuerta y mazarota de los modelos para semimolde superior e inferior.
Los modelos definen la forma externa de la pieza por fundir. Si la fundición va a tener superficies internas se requiere un corazón. Un corazón es un modelo a tamaño real de las superficies
interiores de la pieza. Se inserta en la cavidad del molde antes del vaciado, de modo que el metal
fundido fluirá y se solidificará entre la cavidad del molde y el corazón, para formar las superficies
externa e interna del fundido. Por lo general, el corazón está hecho de arena, la cual es compactada para que se tenga la forma deseada. Igual que el modelo, el tamaño real del corazón debe
incluir tolerancias para la contracción y el maquinado. En función de la forma de la pieza, el
corazón quizá requiera soportes para quedar en posición en la cavidad del molde durante el vaciado. Estos soportes, llamados sujetadores, están hechos de un metal que posee una temperatura de fusión más alta que la del metal que se va a fundir. Por ejemplo, para fabricar fundiciones
de hierro se usarían sujetadores de acero. En el vaciado y solidificación, los sujetadores se integran en la fundición. En la figura 6.3 se ilustra un arreglo posible de un corazón en un molde con
sujetadores. La parte del sujetador que sobresale de la fundición se corta posteriormente.
6.1.2
Moldes y su fabricación
Las arenas de fundición son sílice (SiO2) o sílice mezclado con otros minerales. La arena debe
tener buenas propiedades refractarias, es decir, capacidad de soportar temperaturas altas sin que
se funda o sufra algún otro tipo de degradación. Otras características importantes de la arena son
el tamaño del grano o granulometría, su distribución en la mezcla, y la forma de los granos individuales. Los granos pequeños dan un mejor acabado superficial de la pieza fundida, pero los de
tamaño grande son más permeables (para permitir el escape de los gases durante el vaciado). Los
6.1
Corazón
Sujetador
Fundición en arena 111
Mazarota
Bebedero
Línea de partición
Molde
Cavidad
a)
b)
c)
FIGURA 6.3 a) Corazón mantenido en su sitio dentro de la cavidad del molde por medio de sujetadores, b)
diseño posible de los sujetadores y c) fundición con cavidad interna. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)
moldes elaborados con granos irregulares tienden a ser más fuertes que los hechos con granos
redondeados debido a su acoplamiento, aunque éste tiende a restringir la permeabilidad.
Al hacer el molde, los granos de arena se mantienen unidos por una mezcla de agua y arcilla
adhesiva. Una mezcla común (en volumen) es de 90% de arena, 3% de agua y 7% de arcilla.
Para mantener a la arcilla en su sitio se emplean distintos agentes adhesivos, como resinas orgánicas (por ejemplo, resinas fenólicas) y aglutinantes inorgánicos (por ejemplo, silicato de sodio y
fosfato). Además de la arena y el aglutinante, en ocasiones se agregan aditivos a la mezcla a fin
de mejorar propiedades como la resistencia o la permeabilidad del molde.
Para formar la cavidad del molde, el método tradicional consiste en compactar la arena alrededor del modelo para las partes superior e inferior, en un contenedor llamado caja de moldeo.
El proceso de compactación se lleva a cabo con métodos diferentes. El más simple es golpear con
la mano, lo que lleva a cabo un trabajador de la fundición. Además, se han inventado diversas
máquinas para mecanizar el procedimiento de compactación. Estas máquinas operan con distintos mecanismos, entre ellos: 1) comprimir la arena alrededor del modelo por medio de presión
neumática; 2) ejecutar una acción de golpeteo en la que la arena, contenida en la caja de moldeo
con el modelo, se deja caer repetidas veces a fin de que se comprima en su sitio, y 3) realizar una
acción de bombardeo en la que los granos de arena chocan a gran velocidad contra el modelo.
Una alternativa a las cajas tradicionales para cada molde de arena es el moldeo sin caja de
moldeo, que se refiere al uso de una caja de moldeo maestra, en un sistema mecanizado de producción de moldes. Cada molde de arena se produce por medio de la misma caja de moldeo
maestra. Con este método se afirma que la producción de moldes alcanza los 600 por hora [8].
Para determinar la calidad del molde de arena se emplean diferentes indicadores [7]: 1) resistencia, capacidad del molde para conservar su forma y resistir la erosión ocasionada por el
flujo de un metal fundido; depende de la forma del grano y de las cualidades adhesivas del aglutinante; 2) permeabilidad, capacidad del molde para permitir que pasen el aire y los gases calientes a través de los huecos de la arena, durante la operación de fundición; 3) estabilidad térmica,
característica de la arena en la superficie de la cavidad del molde para resistir el agrietamiento y
la deformación ante el contacto con el metal fundido; 4) colapsabilidad, facilidad de que el molde sea retirado y permita que la fundición se contraiga sin que ésta se agriete; también se refiere
a la facilidad con que se quita la arena de la fundición durante su limpieza, y 5) reutilización, ¿es
posible reutilizar la arena del molde ya desmoronado o roto para hacer otros moldes? En ocasiones, estas medidas son incompatibles: por ejemplo, un molde con mucha resistencia es menos
colapsable.
Con frecuencia, los moldes de arena se clasifican como de arena verde, arena seca o de superficie seca. Los moldes de arena verde están elaborados con una mezcla de arena, arcilla y
agua, la palabra verde se refiere al hecho de que el molde contiene humedad al momento del va-
112 CAPÍTULO 6
Procesos de fundición de metales
ciado. Los moldes de arena verde tienen resistencia suficiente para la mayoría de aplicaciones,
buenas colapsabilidad, permeabilidad y posibilidades de reúso, y son los menos caros de todos
los moldes. Son el tipo de molde que más se emplea, pero no carecen de problemas. La humedad
de la arena ocasiona defectos a ciertas fundiciones, lo que depende del metal y forma de la pieza.
Un molde de arena seca está hecho con aglutinantes orgánicos en lugar de arcilla, y se cuece en
un horno grande a temperaturas que van de 200 a 320 °C (400 a 600 °F) [8]. Dicho cocimiento
da resistencia al molde y endurece la superficie de la cavidad. Los moldes de arena seca proporcionan mejor control dimensional del producto fundido, en comparación con los de arena verde.
Sin embargo, es más caro hacer moldes de arena seca, y la tasa de producción disminuye debido
al tiempo de secado. Las aplicaciones se limitan por lo general a fundiciones medianas y grandes
con tasas de producción pequeñas o medianas. Con un molde de superficie (o película) seca
se obtienen las ventajas de los de arena seca mediante el secado de la superficie de un molde de
arena verde hasta una profundidad de 10 a 25 mm (0.4 a 1 pulg) de la cavidad del molde, por
medio de sopletes, lámparas de calor u otros medios. Para dar resistencia a la superficie de la
cavidad debe agregarse a la mezcla de arena materiales adhesivos especiales.
Las clasificaciones anteriores de los moldes se refieren al uso de aglutinantes convencionales
que consisten en arcilla y agua o aquellos que requieren curado con calor. Además de estas clasificaciones, se han desarrollado moldes químicamente adheridos que no se basan en ninguno de
los ingredientes para aglutinar tradicionales. Algunos de los materiales aglutinantes que se emplean en estos sistemas “sin horno” incluyen resinas furánicas (que consisten en alcohol furfurílico, urea y formaldehído), fenoles y aceites alquidálicos. Los moldes sin cocimiento o sin horno
se usan cada vez más debido a su buen control dimensional y aplicaciones de alta producción.
6.1.3
La operación de fundición
Después de colocar en posición el corazón (si lo hay) y de que las dos mitades del molde se hacen
embonar, se procede a hacer la fundición. Ésta consiste en el vaciado, solidificación y enfriamiento de la pieza fundida (véanse las secciones 5.2 y 5.3). El sistema de compuerta y mazarota
del molde deben diseñarse para llevar metal líquido a la cavidad, y proporcionarle almacenamiento suficiente durante la contracción por solidificación. Debe permitirse que escapen el aire y
los gases.
Después de la solidificación y el enfriamiento, se rompe el molde de arena que contiene la
fundición para retirarla. Luego, se limpia la pieza, lo que consiste en separar el sistema de compuerta y la mazarota, retirar la arena de la superficie e inspeccionar la fundición.
6.2
Otros procesos de fundición con moldes desechables
No obstante que la fundición con arena es tan versátil, existen otros procesos de fundición creados para satisfacer necesidades especiales. Las diferencias entre dichos métodos estriban en la
composición del material del molde o la manera en que se le fabrica, o bien en la forma en que
se hace el modelo.
6.2.1
Moldeo en cáscara
El moldeo en cáscara o concha es un proceso de fundición en el que el molde es una cáscara
delgada (es común que mida 9 mm o 3/8 de pulg) hecho de arena y que se mantiene en cohesión
por medio de un aglutinante de resina termofija. Se desarrolló en Alemania a principios de la
década de 1940, y el proceso se describe e ilustra en la figura 6.4.
El proceso de moldeo en cáscara tiene muchas ventajas. La superficie de la cavidad de un
molde en cáscara es más tersa que la del molde convencional de arena verde, y esta característica
permite un flujo más fácil durante el vaciado del metal líquido y un mejor acabado superficial de
la fundición final. Es posible obtener acabados de 2.5 μm (100 μpulg). También se alcanza una
6.2
Otros procesos de fundición con moldes desechables 113
Modelo calentado
Caja de
depósito
Arena
con resina
aglutinante
Cáscara
1)
2)
3)
Cáscaras
Granalla metálica
Caja de moldeo
Prensa
4)
5)
6)
7)
FIGURA 6.4 Etapas del moldeo en cáscara: 1) se calienta un modelo de placa metálica o de semimolde superior e inferior metálica, y
se coloca sobre una caja que contiene arena mezclada con alguna resina termofija; 2) se invierte la caja de modo que la arena y la resina
caigan sobre el modelo caliente, lo que ocasiona que una capa de la mezcla se cure parcialmente sobre la superficie y forme una cáscara
dura; 3) la caja se regresa a su posición original de modo que caigan las partículas sueltas que no resultaron curadas; 4) la cáscara de arena se calienta en un horno durante varios minutos, a fin de completar el curado; 5) el molde en cáscara se separa del modelo; 6) se ensamblan dos mitades del molde en cáscara, soportadas por arena o granalla en una caja en donde posteriormente se realiza el vaciado. La
fundición final con el bebedero removido, como se aprecia en 7). (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P.
Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)
buena precisión dimensional, con tolerancias de ±0.25 mm (±0.010 pulg) que son posibles en
piezas de tamaño pequeño a medio. El buen acabado y precisión frecuentemente eliminan la necesidad de un maquinado adicional. La colapsabilidad del molde por lo general es suficiente para
evitar el desgarramiento y agrietamiento de la fundición.
Las desventajas del moldeo en cáscara incluyen un modelo de metal más caro que el correspondiente al moldeo con arena verde. Esto hace que el moldeo en cáscara sea difícil de justificar
para la producción de piezas en baja cantidad, pero puede mecanizarse para la producción en
masa y es muy económico para grandes cantidades. Parece apropiado en especial para fundiciones de acero de menos de 20 libras. Algunos ejemplos de piezas fabricadas con el empleo de
moldeo en cáscara incluyen engranes, cuerpos de válvulas, bujes y árboles de levas.
6.2.2
Procesos de poliestireno expandido
El proceso de fundición con poliestireno expandido usa un molde de arena compactada alrededor
de un modelo de espuma de poliestireno que se vaporiza cuando el metal fundido se vierte en el
molde. El proceso y sus variaciones se conocen también con otros nombres, como proceso de
espuma perdida, proceso de modelo perdido, proceso de evaporación de espuma y proceso de
molde lleno (este último es una marca registrada). El modelo de poliestireno incluye el bebedero,
las mazarotas y el sistema de compuerta, y también puede incorporar corazones internos (de ser
necesarios), lo que elimina la necesidad de contar con un corazón por separado en el molde. Asimismo, dado que el modelo de espuma en sí se convierte en la cavidad en el molde, se puede
ignorar otras consideraciones sobre las líneas de partición y ángulos de salida. El molde no tiene
114 CAPÍTULO 6
Procesos de fundición de metales
Arena compactada
alrededor del modelo
Copa de
vaciado
y bebedero
de espuma
Caja del
moldeo
Modelo
de espuma
El metal fundido
desplaza al modelo
de espuma y
lo vaporiza
Rocío de un
compuesto
refractario
1)
2)
3)
FIGURA 6.5 Proceso de fundición con poliestireno expandido: 1) el modelo de poliestireno se recubre con un compuesto refractario;
2) el modelo de espuma se coloca en la caja del molde, y alrededor de él se compacta arena, y 3) se vierte metal fundido en la porción del
modelo que constituye la copa de vaciado y el bebedero de la fundición. Conforme el metal ingresa al molde, la espuma de poliestireno se
vaporiza al contacto con el líquido, lo que resulta en el llenado de la cavidad del molde. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)
que estar abierto en las secciones superior e inferior (cope and drag, en inglés). En la figura 6.5
se ilustra y describe la secuencia de este proceso de fundición. Se usan diferentes métodos para
hacer el modelo, en función de la cantidad de fundiciones por producir. Para fundiciones de una
sola clase o tipo, la espuma se corta en forma manual en tiras grandes y se ensambla para formar
el modelo. Para corridas grandes de producción se prepara una operación de moldeo automatizada para moldear los modelos antes de fabricar los moldes para la fundición. Normalmente, éste
se recubre con un compuesto refractario que proporciona una superficie más tersa sobre él y para
mejorar su resistencia a la alta temperatura. Por lo general, los moldes de arena incluyen agentes
de unión. Sin embargo, en ciertos procesos de este grupo se emplea arena seca, lo que ayuda al
recubrimiento y reúso.
Una ventaja significativa de este proceso es que el modelo no necesita retirarse del molde.
Esto simplifica y agiliza la fabricación del molde. En un molde convencional de arena verde, se
requiere de dos mitades con líneas de partición apropiadas, se debe proveer de tolerancias en los
ángulos de salida del diseño del molde, los corazones deben insertarse y debe agregarse el sistema de compuerta y mazarota. Con el proceso de poliestireno expandido, estas etapas se incluyen
en el modelo mismo. Se necesita un modelo nuevo para cada fundición, por lo que la decisión
económica de utilizar la fundición de poliestireno expandido depende en gran medida del costo
de producción de los modelos. El proceso se ha aplicado para producir en masa fundiciones para
motores de automóviles, donde se instalan sistemas automatizados para moldear los modelos de
espuma.
6.2.3
Fundición por revestimiento
En la fundición por revestimiento, se elabora un modelo de cera y se recubre con un material
refractario para formar el molde, después de lo cual se derrite la cera antes de vaciar el metal
fundido. El término revestimiento proviene de una de las definiciones menos familiares de la
palabra recubrir, que es “cubrir por completo”, esto se refiere al recubrimiento del material refractario alrededor del modelo de cera. Es un proceso de fundición de precisión, debido a que es
capaz de generar fundiciones de gran precisión y detalles intrincados. El proceso se remonta al
antiguo Egipto y también se le conoce como proceso a la cera perdida, debido a que el modelo
de ese material se pierde en el molde antes de la fundición.
En la figura 6.6 se describen las etapas de la fundición por revestimiento. Como el modelo
de cera se derrite después de hacer el molde refractario, debe elaborarse un modelo separado por
cada fundición. La producción de modelos por lo general se lleva a cabo por medio de una operación de moldeo, vaciando o inyectando la cera caliente en un dado (matriz) maestro diseñado
6.2
Otros procesos de fundición con moldes desechables 115
Bebedero
de cera
Modelo
de cera
1)
2)
3)
4)
Calor
Cera
5)
6)
7)
FIGURA 6.6 Etapas de la fundición por revestimiento: 1) se producen los modelos de cera; 2) se unen
varios modelos a un bebedero para formar un árbol con ellos; 3) el árbol de modelos se recubre con una
capa delgada de material refractario; 4) se forma el molde con el árbol recubierto con material refractario
suficiente para volverlo rígido; 5) se mantiene el molde en posición invertida y se calienta para derretir la
cera y permitir que salga de la cavidad; 6) el molde se precalienta a temperatura elevada, lo que garantiza
que todos los contaminantes del molde se eliminen; eso también permite que el metal líquido fluya con
mayor facilidad dentro de la cavidad detallada; se vacía el metal fundido; se solidifica, y 7) se rompe el
molde del metal fundido terminado. Se separan las partes del bebedero. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley &
Sons, Inc.).
con tolerancias apropiadas para permitir la contracción tanto de la cera como de la fundición
metálica subsecuente. En los casos en que la forma de la pieza es complicada, pueden unirse
varias piezas separadas de cera para formar el modelo. En operaciones de producción grande, se
unen varios modelos a un bebedero, también hecho de cera, para formar un árbol de modelos;
ésta es la configuración geométrica que se fundirá con el metal.
El recubrimiento con material refractario (etapa 3) por lo general se lleva a cabo con la inmersión del árbol de modelos en un lodo muy fino compuesto de sílice granular u otro refractario
(casi en polvo) mezclado con la pasta para que se incorpore a la forma del molde. El grano fino
del material refractario proporciona una superficie tersa y captura los detalles intrincados o caprichosos del modelo de cera. El molde final (etapa 4) se lleva a cabo por medio de sumergir el árbol
repetidas veces en el lodo refractario o a través de compactar con suavidad el material refractario
alrededor del árbol en un contenedor. Se deja secar al molde alrededor de ocho horas para endurecer el aglutinante.
Las ventajas de la fundición por revestimiento incluyen las siguientes: 1) es posible fundir
piezas de gran complejidad y detalle; 2) se puede tener mucho control dimensional, tolerancias
de ±0.075 mm (±0.003 pulg); 3) se tiene un buen acabado superficial; 4) por lo general se puede
recuperar la cera para volver a emplearla, y 5) normalmente no se requiere maquinado adicional;
éste es un proceso de forma neta. Debido a que en esta operación de fundición están involucradas
muchas etapas, es un proceso relativamente caro. Lo normal es que las fundiciones por revesti-
116 CAPÍTULO 6
Procesos de fundición de metales
miento sean pequeñas, aunque se han llegado a fundir con éxito
piezas con formas complejas que pesan hasta 34 kg (75 lb). Todos los tipos de metales, incluyendo aceros, aceros inoxidables
y otras aleaciones resistentes a temperatura alta, son susceptibles de usarse en la fundición por revestimiento. Algunos ejemplos de piezas incluyen elementos complejos de maquinaria,
álabes y otros componentes de motores con turbina, joyería y
piezas dentales. En la figura 6.7 se ilustra una pieza que muestra
las características intrincadas que son posibles con la fundición
por revestimiento.
6.2.4 Fundición con moldes de yeso
y material cerámico
La fundición con molde de yeso es similar a la de arena, excepto que el molde está hecho de yeso de París (CaSO4–2H2O), en
vez de arena. Con el yeso se mezclan aditivos como el talco y
polvo de sílice para controlar la contracción y el tiempo de preparación, reducir el agrietamiento y aumentar la resistencia. Para hacer el molde, se vierte la mezcla de yeso y agua en un modelo de plástico o metal en un recipiente y se deja reposar. Por
lo general los modelos de madera son insatisfactorios debido al
contacto largo con el agua del yeso. La consistencia del fluido permite que la mezcla de yeso
fluya con facilidad alrededor del modelo y capture sus detalles y acabado superficial. Así, el producto que se funde en moldes de yeso es notable por tener dichos atributos.
Una de las desventajas del proceso es el curado del molde de yeso, al menos en producción
elevada. El molde debe permanecer en reposo alrededor de 20 minutos antes de que el modelo
sea desmontado. Después, el molde se introduce en un horno durante varias horas a fin de eliminar la humedad. Aun con el horneo, no todo el contenido de humedad llega a eliminarse. El dilema que enfrentan los fundidores es que la resistencia del molde se pierde cuando la pasta es
deshidratada en exceso, por lo que el contenido de humedad ocasiona defectos en la fundición del
producto. Debe llegarse a un equilibrio entre estas alternativas que son indeseables. Otra desventaja con el molde de yeso es que no es permeable, lo que limita el escape de los gases de la cavidad del molde. Este problema se puede resolver de distintos modos: 1) con la evacuación del aire
de la cavidad del molde antes del vaciado; 2) manteniendo al aire la pasta de yeso antes de fabricar el molde para que la pasta dura que resulte contenga huecos dispersados finamente, y 3) con
el uso de una composición especial del molde y el tratamiento conocido como proceso de Antioch. Éste consiste en usar 50% de arena mezclada con el yeso, calentar el molde en un autoclave
(horno que utiliza vapor supercaliente y a presión), y después se deja secar. El molde que resulta
tiene una permeabilidad mucho mayor que la de uno de yeso convencional.
Los moldes de yeso no resisten temperaturas tan altas como las de los moldes de arena. Por
tanto, están limitados a la fundición de aleaciones con puntos de fusión bajos, como las de aluminio, magnesio y algunas con base de cobre. Las aplicaciones incluyen moldes de metal para moldear caucho y plástico, impulsores de turbinas y bombas, y otras piezas de forma relativamente
intrincada. Los tamaños de los fundidos van de alrededor de 20 g (menos de 1 onza) a más de 100
kg (220 lb). Las más comunes son las piezas que pesan 10 kg (22 lb), aproximadamente. Las ventajas de la fundición con moldes de yeso para estas aplicaciones son el buen acabado superficial,
la precisión dimensional y la capacidad de fabricar fundiciones de sección transversal delgada.
La fundición con moldes cerámicos es similar a la fundición con moldes de yeso, excepto
que el molde se elabora con materiales cerámicos refractarios que resisten temperaturas más
elevadas que los de yeso. Así, los moldes cerámicos se emplean para fundir aceros, hierro y otras
aleaciones que resisten altas temperaturas. Sus aplicaciones (moldes y piezas relativamente intrincadas) son similares a las de las fundiciones hechas en moldes de yeso, excepto para la fundición de metales. Sus ventajas (buenas precisión y acabado) también son parecidas.
FIGURA 6.7 Estator de una pieza para un compresor, con
108 aletas aerodinámicas separadas, elaborado por medio de
fundición por revestimiento. Foto cortesía de AlcoaHowmet.
(Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de
Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John
Wiley & Sons, Inc.)
6.3
Procesos de fundición con moldes permanentes 117
6.3 Procesos de fundición con moldes permanentes
La desventaja económica de cualquiera de los procesos con molde desechable es que se requiere
uno nuevo para cada fundición. En la fundición con molde permanente, el molde se reutiliza muchas veces. En esta sección se trata la fundición con moldes permanentes como el proceso básico
del grupo de procesos de fundición que emplean moldes de metal susceptibles de volver a emplearse, otros procesos del grupo son la fundición en dados o matrices y la fundición centrífuga.
6.3.1
El proceso básico con moldes permanentes
La fundición con moldes permanentes usa un molde de metal construido con dos secciones diseñadas para tener facilidad de apertura y cierre. Es común que estos moldes estén hechos de acero
o hierro fundido. La cavidad, con el sistema de compuerta incluido, se maquina en las dos mitades para proporcionar dimensiones exactas y buen acabado superficial. Los metales que son comunes de fundir en moldes permanentes son el aluminio, el magnesio, las aleaciones base cobre
y el hierro colado. Sin embargo, el hierro colado requiere de una temperatura de vaciado elevada,
de 1 250 a 1 500 °C (2 300 a 2 700 °F), lo cual tiene un gran efecto en la vida del molde. Las temperaturas de vaciado muy altas del acero hacen que los moldes permanentes no sean apropiados
para esta aleación, a menos que el molde sea fabricado con material refractario.
Es posible usar corazones en los moldes permanentes a fin de formar superficies internas en
el producto fundido. Los corazones están hechos de metal, pero su forma debe permitir la remoción del material fundido o bien deben colapsarse en forma mecánica para lograr ese cometido.
Si el corazón de metal es difícil o imposible de extraer, hay que usar moldes de arena, caso en el
que es frecuente referirse al proceso como fundición con molde semipermanente.
En la figura 6.8 se describe el proceso básico de fundición con moldes permanentes. En la
preparación del fundido, primero se precalienta el molde y se rocían uno o más recubrimientos
sobre la cavidad. El precalentamiento facilita que el metal fluya a través del sistema de paso y
hacia la cavidad. Los recubrimientos ayudan a disipar el calor y lubrican las superficies del molde para que sea más fácil la separación del producto fundido. Después del vaciado, tan pronto
como se solidifica el metal, se abre el molde y se retira la fundición. A diferencia de los moldes
desechables, los permanentes no se colapsan, por lo que deben abrirse antes de que ocurra una
contracción apreciable por el enfriamiento a fin de impedir la formación de grietas en el material
fundido.
Las ventajas de la fundición con moldes permanentes incluyen buen acabado superficial y un
control dimensional cerrado, como ya se dijo. Además, la solidificación más rápida ocasionada
por el molde metálico da como resultado una estructura de grano más fina, por lo que se producen
fundiciones más resistentes. El proceso se limita por lo general a metales con puntos de fusión
bajos. Otras limitaciones son que las formas de las piezas son más sencillas, en comparación con
las de la fundición con arena (debido a la necesidad de abrir el molde) y lo costoso del molde.
Debido a que el costo del molde es elevado, el proceso se adapta mejor a una producción elevada
y se puede automatizar en consecuencia. Los productos comunes incluyen pistones de automóviles, carcasas de bombas, y ciertas fundiciones para aeronaves y misiles.
6.3.2 Variaciones de la fundición con moldes permanentes
Varios procesos de fundición son muy parecidos al método básico con molde permanente. Éstos
incluyen la fundición con molde permanente hueca, a baja presión y al vacío.
Fundición hueca La fundición hueca es un proceso con molde permanente en el que una fundición hueca es formada por medio de la inversión del molde después de la solidificación parcial
de la superficie a fin de drenar el metal líquido del centro. La solidificación comienza en las paredes del molde porque están relativamente frías, y con el paso del tiempo avanza hacia la mitad
de la fundición. El espesor de la cáscara se controla por el tiempo que transcurre antes del drena-
118 CAPÍTULO 6
Procesos de fundición de metales
Sección
móvil
del molde
Sección fija
del molde
Cilindro hidráulico
para abrir y
cerrar el molde
Cavidad
Boquilla
de rocío
Corazón
F
2)
1)
v
F
3)
4)
5)
FIGURA 6.8 Etapas del fundido con moldes permanentes: 1) se precalienta y recubre el molde; 2) se insertan los corazones (si los hay)
y se cierra el molde; 3) se vierte metal fundido en el molde, y 4) se abre el molde. La pieza terminada se presenta en 5). (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)
do. La fundición hueca se emplea para hacer estatuas, pedestales de lámparas y juguetes, con
metales de punto de fusión bajo como zinc y estaño. En esos artículos es importante la apariencia
exterior, pero la resistencia y la forma interior de la fundición son consideraciones menores.
Fundición a baja presión En el proceso básico de molde permanente y en la fundición hueca,
el flujo del metal hacia la cavidad del molde es ocasionado por la gravedad. En la fundición a
baja presión el metal líquido es forzado a pasar a la cavidad a baja presión, aproximadamente 0.1
MPa (15 lb/pulg2), desde abajo, de modo que el flujo se dirija hacia la parte superior, como se
ilustra en la figura 6.9. La ventaja de este enfoque sobre el vaciado tradicional es que al molde
se introduce metal fundido limpio desde el centro de la cuchara, en vez de metal que ya se haya
expuesto al aire. De este modo se minimizan los defectos de porosidad por gas y oxidación, y así
se mejoran las propiedades mecánicas.
Fundición al vacío con molde permanente Este proceso es una variación de la fundición a
baja presión, en la cual se emplea un vacío para impulsar el metal fundido hacia la cavidad del
molde. La configuración general del proceso de fundición al vacío con molde permanente es similar a la de la operación de fundición a baja presión. La diferencia está en que se utiliza la presión reducida del aire desde el vacío del molde para llevar metal líquido hacia la cavidad, en lugar
de forzarlo con presión positiva de aire desde abajo. Hay varios beneficios en la técnica de vacío,
relacionados con la fundición a baja presión: se reducen la porosidad por aire y los defectos relacionados con ésta, y se da mayor resistencia al producto fundido.
6.3
FIGURA 6.9 Fundición a
baja presión. El diagrama
muestra el uso de la presión
baja del aire para forzar a
que el metal fundido en la
cuchara (recipiente) pase a
la cavidad del molde. La
presión se mantiene hasta
que la fundición se ha solidificado. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell
P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John
Wiley & Sons, Inc.)
6.3.3
Procesos de fundición con moldes permanentes 119
Sección superior
retráctil del molde
Fundición
Tubo refractario
Sección inferior del molde
Metal fundido
Cámara de aire
Cuchara
Presión deeaire
Fundición con dados
La fundición con dados es un proceso de fundición con molde permanente en el que se inyecta a
presión elevada el metal fundido a la cavidad del molde. Las presiones comunes son de 7 a 350
MPa (1 000 a 50 000 lb/pulg2). La presión se mantiene durante la solidificación, después de la
cual el molde se abre y se retira la pieza. Los moldes para esta operación de fundido reciben el
nombre de dados o matrices, de donde deriva su nombre el proceso. La característica más notable
que diferencia a este proceso de los demás de la categoría de moldes permanentes, es el uso de
presión elevada para forzar el paso del metal a la cavidad de los dados.
Las operaciones de fundición con dados se llevan a cabo en máquinas especiales, las cuales
están diseñadas para que las dos mitades del molde embonen y cierren con precisión, y las mantengan cerradas mientras que el metal líquido es forzado a pasar a la cavidad. En la figura 6.10 se
aprecia la configuración general. Hay dos tipos principales de máquinas para fundición con dados: 1) cámara caliente y 2) cámara fría, que se diferencian en la manera en que el metal fundido
es inyectado a la cavidad.
En las máquinas de cámara caliente el metal se funde en un contenedor incorporado a
la máquina, y se emplea un pistón para inyectar metal líquido a alta presión hacia los dados o la
matriz. Las presiones de inyección comunes son de 7 a 35 MPa (1 000 a 5 000 lb/pulg2). El ciclo
Placa móvil
Mecanismo de cambio
Barras
de
guía
(4)
Cilindro
de cierre
del dado
Mitad móvil del dado
Mitad fija del dado
Placa frontal
Cámara de disparo
Orificio de vaciado
Cilindro
de disparo
v
FIGURA 6.10 Configuración general de una máquina de fundición con dados (cámara fría). (Crédito:
Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización
de John Wiley & Sons, Inc.)
120 CAPÍTULO 6 Procesos de fundición de metales
Mitad móvil
del dado
Mitad fija del dado
Boquilla
Cuello de ganso
Pasadores
eyectores
v, F
Pistón
Cavidad
Crisol
Cámara
2)
1)
v
v
3)
4)
FIGURA 6.11 Ciclo de la fundición con cámara caliente: 1) con dado cerrado y pistón fuera, el metal
fundido fluye a la cámara; 2) el pistón fuerza al metal a fluir hacia la cámara para que pase al dado, manteniendo la presión durante el enfriamiento y solidificación, y 3) se retira el pistón, se abre el dado y se
expulsa la pieza solidificada. En 4) se ilustra el elemento terminado. (Crédito: Fundamentals of Modern
Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons,
Inc.)
de fundición se resume en la figura 6.11. No es extraño que las tasas de producción sean de hasta
500 piezas por hora. La fundición con dados en cámara caliente plantea un reto especial al sistema de inyección debido a que gran parte de éste se encuentra sumergido en el metal fundido. Por
tanto, el proceso está limitado a aplicaciones con metales de punto bajo de fusión que no impongan ataque químico al pistón y otros componentes mecánicos. Los metales incluyen zinc, estaño,
plomo y en ocasiones magnesio.
En las máquinas de fundición con dados de cámara fría se vacía el metal líquido hacia una
cámara que no está caliente, desde un contenedor externo, y se emplea un pistón para inyectarlo a
alta presión hacia la cavidad de los dados (matriz). Las presiones de inyección comunes que se
usan en estas máquinas son de 14 a 140 MPa (2 000 a 20 000 lb/pulg2). En la figura 6.12 se explica
el ciclo de producción. En comparación con las máquinas de cámara caliente, las velocidades en
los ciclos de producción por lo general no son tan rápidas debido a la necesidad de una cuchara
de colada para vaciar el metal líquido desde una fuente externa hacia la cámara. No obstante, este
proceso de fundición es una operación de producción elevada. Las máquinas de cámara fría
se usan por lo común para fundir aleaciones de aluminio, latón y magnesio. Aleaciones con punto
de fusión bajo (zinc, estaño, plomo) también pueden fundirse en máquinas de cámara fría, pero por
lo general las ventajas del proceso con cámara caliente favorecen su uso sobre estos metales.
Generalmente, los moldes que se usan en operaciones de fundición con dados están hechos
de acero grado herramienta, acero para moldes o acero martensítico envejecible (maraging, en
inglés). También se emplean tungsteno y molibdeno con calidades refractarias buenas, en espe-
Procesos de fundición con moldes permanentes 121
6.3
Mitad móvil
del dado
Mitad fija del dado
Cucharón
Pasadores
eyectores
F
Cavidad
Ariete
Cámara de disparo
1)
2)
v
v
3)
FIGURA 6.12 Ciclo de fundición con cámara fría: 1) con dado cerrado y ariete retirado, el metal fundido se vierte a la cámara; 2) el ariete fuerza al metal a fluir en el dado, manteniendo la presión durante el
enfriamiento y solidificación, y 3) se retira el ariete, el dado se abre y la pieza es expulsada. (El sistema de
compuerta está simplificado.) (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P.
Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)
cial para fundir acero con dados y hierro fundido. Los dados pueden ser de una cavidad o varias
(en las figuras 6.11 y 6.12 se ilustran dados o matrices de una sola cavidad). Los pasadores eyectores se requieren para retirar la pieza del dado cuando éste se abre, como se observa en los diagramas. Estos pasadores empujan la pieza hacia afuera de la superficie del molde de modo que
pueda retirarse. También deben rociarse lubricantes en las cavidades, a fin de impedir que estén
pegajosas.
Debido a que los materiales del dado no tienen porosidad natural, y que el metal fundido
fluye con rapidez hacia éste durante la inyección, deben hacerse orificios de ventilación y vías de
paso en los dados, en la línea de partición, para evacuar el aire y gases de la cavidad. Las ventilaciones son muy pequeñas; en realidad se llenan con metal durante la inyección. Este metal debe
recortarse más tarde de la pieza. Asimismo, en la fundición con dados es común la formación de
una rebaba, en la que entra metal líquido a presión alta al espacio pequeño entre las mitades
de los dados, en la línea de separación, o en los claros alrededor de los corazones y los pasadores
eyectores. Esta rebaba debe recortarse de la fundición, junto con el bebedero y el sistema de
compuerta.
Las ventajas de la fundición con dados incluyen las siguientes: 1) son posibles tasas elevadas
de producción; 2) es económica para cantidades grandes de producción; 3) se puede tener tolerancias estrechas, del orden de ±0.076 mm (±0.003 pulg) para piezas pequeñas; 4) buen acabado
superficial; 5) son posibles las secciones delgadas, por debajo de 0.5 mm (0.020 pulg), y 6) el
enfriamiento rápido proporciona un tamaño de grano pequeño y buena resistencia a la fundición.
La limitación de este proceso, además de los metales por fundir, es la restricción de la forma. La
configuración geométrica de la pieza debe permitir su retiro de la cavidad del dado.
6.3.4
Fundición por dado impresor y fundición de metales semisólidos
Éstos son dos procesos que suelen asociarse con la fundición con dado. La fundición por dado
impresor es una combinación de fundición y forja (véase la sección 13.2) en la que un metal
fundido es vaciado en un dado inferior precalentado, y el dado superior se cierra para crear la
122 CAPÍTULO 6 Procesos de fundición de metales
cavidad del molde después de que comienza la solidificación. Esto difiere del proceso de fundición habitual de molde permanente en el que las mitades del dado o matriz se cierran antes del
vaciado o inyección. Debido a la naturaleza híbrida del proceso, también se conoce como forjado
de metal líquido. La presión aplicada al dado superior en la fundición por dado impresor hace
que el metal llene completamente la cavidad, lo que resulta en un buen acabado superficial y una
baja contracción. Las presiones requeridas son significativamente menores que en el forjado de
una masa de metal sólido y el dado puede imprimir un detallado mucho más fino a la superficie
que en la forja. La fundición por dado impresor puede utilizarse tanto para aleaciones ferrosas
como para no ferrosas, pero las aleaciones de aluminio y magnesio son las más comunes, debido
a que sus temperaturas de fusión son más bajas. Una aplicación común son las piezas para automóvil.
La fundición de metal semisólido forma parte de la familia de procesos de forma neta o
completa y casi neta, que se realizan sobre aleaciones de metal a temperaturas entre el liquidus y
el solidus (véase la sección 5.3.1). Así, la aleación consiste en una mezcla de metales sólidos
y fundidos durante la fundición, como un lodo, el cual se encuentra en estado blando. Con el fin
de que la mezcla fluya correctamente, ésta debe consistir en glóbulos de metal sólido dentro de
un líquido y no en las formas sólidas dendríticas que se forman comúnmente durante la solidificación de un metal fundido. Lo anterior se logra mediante la agitación forzada del lodo para
evitar que se formen dendritas y fomentar la formación de esferas, lo que a su vez reduce la viscosidad del metal de trabajo. Las ventajas de la fundición de metales semisólidos incluyen lo siguiente [15]: 1) geometrías complejas de las piezas, 2) paredes finas de las piezas, 3) tolerancias
cerradas, 4) baja o nula porosidad, lo que resulta en una alta resistencia del producto fundido.
Existen varias formas de fundición de metales semisólidos. Cuando se aplica al aluminio, se
utilizan los términos tixofundición y reofundición, y el equipo de producción es similar a una
máquina de fundición en dado. Cuando se aplica al magnesio, se emplea el término tixomoldeo,
y el equipo es similar a una máquina de moldeo por inyección (véase la sección 8.6.1).
6.3.5
Fundición centrífuga
La fundición centrífuga se refiere a varios métodos de fundición en los que el molde gira a gran
velocidad de modo que la fuerza centrífuga distribuye el metal fundido a las regiones externas de
la cavidad del dado. Aquí se describe el proceso usado para el fundido de piezas tubulares, llamado fundición centrífuga real.
En la fundición centrífuga real se vierte metal fundido a un molde rotatorio para producir
una pieza tubular. Algunos ejemplos de las piezas que se fabrican con este proceso incluyen tuberías, tubos, boquillas y anillos. En la figura 6.13 se ilustra un arreglo posible. Se genera el vaciado del metal fundido por un extremo del molde horizontal rotatorio. En algunas operaciones,
la rotación del molde comienza después del vaciado y no antes. La gran velocidad de rotación
ocasiona que las fuerzas centrífugas hagan que el metal adopte la forma de la cavidad del molde.
Así, la forma exterior de la fundición puede ser de geometría redonda, octagonal, hexagonal, etc.
Sin embargo, la forma interior de la fundición es (en teoría) perfectamente circular, debido a las
fuerzas que actúan con simetría radial.
Molde
Rodillo libre
Molde
Cavidad
de vaciado
Rodillo de impulso
Vista frontal
Vista lateral
FIGURA 6.13 Arreglo para la fundición centrífuga real. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)
tubular part. Examples of parts made by this process include pipes, tubes, bushings, and
rings. One possible setup is illustrated in Figure 6.13. Molten metal is poured into a
horizontal rotating mold at one end. In some operations, mold rotation commences after
pouring has occurred rather than beforehand. The high-speed rotation results in centrifugal forces that cause the metal to take the shape of the mold cavity. Thus, the outside
shape of the casting can be round, octagonal, hexagonal, and so on. However, the inside
6.3 perfectly
Procesos de
fundición
conto
moldes
permanentes 123
shape of the casting is (theoretically)
round,
due
the radially
symmetric
forces at work.
Orientation of the axis of mold rotation can be either horizontal or vertical, the
La orientación del eje de rotación del molde es horizontal o vertical, y el más común es el
former being more common. Let us consider how fast the mold must rotate in horizontal
primero. A continuación se estudiará qué tan rápido debe girar el molde en una fundición centrícentrifugal casting for the process to work successfully. Centrifugal force is defined by
fuga horizontal, a fin de que el proceso tenga éxito. La fuerza centrífuga está definida por la sithis physics
guiente
ecuaciónequation:
de física:
F¼
C06
C06
C06
08/08/2013
08/08/2013
9:28:51
9:28:51
08/08/2013
9:28:51
Page 129
Page 129
Page 129
(6.1)
(6.1)
where
F fuerza,
¼ force,
(lb);
m masa,
¼ mass,
kg (lbm);
¼ velocity,
(ft/sec);
and
R¼
inside
donde
F=
NN
(lb);
m=
kg (lbm);
v = vvelocidad,
m/sm/s
(pie/s),
yR=
radio
interior
radius
of
the
mold,
m
(ft).
The
force
of
gravity
is
its
weight
W
¼
mg,
where
W
is
given
del molde, m (pie). La fuerza de gravedad es su peso, W = mg, donde W se expresa en kg (lb), yin
2 (32.29.8
kgaceleración
(lb), and gde
¼ la
acceleration
ofm/s
gravity,
m/s22).(32.2
ft/sec2factor
). TheG,
so-called
g=
gravedad, 9.8
pies/s
El llamado
GF, es laG-factor
relación GF
de
is
the
ratio
of
centrifugal
force
divided
by
weight:
la fuerza centrífuga a peso:
GF ¼
Example 6.1
Example
6.1
Rotation
Speed
in
Ejemplo
6.1
Rotation
Speed
in
True
Centrifugal
Example
6.1
Velocidad
de
True
Centrifugal
Casting
Rotationen
Speed
in
rotación
la
Casting
True Centrifugal
fundición
Casting real
centrífuga
mv2
R
v2
F
mv2
¼
¼
W Rmg Rg
(6.2)
(6.2)
Section 6.4/Foundry Practice
Section 6.4/Foundry Practice
129
129
La velocidad, v, se expresa como 2πRN/60 = πRN/30, donde N = velocidad rotacional, rev/min.
Velocity v can be expressed as 2pRN/60 ¼ pRN/30, where
N ¼6.4/Foundry
rotational speed,
rev/min.
Section
Practice
129
Al
sustituirv esta
en laasecuación
(6.2),
se obtiene
Velocity
can expresión
be expressed
2pRN/60
¼ pRN/30,
where N ¼ rotational speed, rev/min.
Substituting this expression into Eq. (6.2), we obtain
Substituting this expression into Eq. (6.2), we
obtain
�pN
�2
Velocity v can be expressed as 2pRN/60 ¼ R
pRN/30,
�pN
� where N ¼ rotational speed, rev/min.
30 2
(6.3)
(6.3)
GF
¼ Rwe
Substituting this expression into Eq.
(6.2),
30 obtain
g� �
(6.3)
GF ¼
g pN 2
R 30
Rearranging
solve
rotational
speed
using diameter
D el
rather
than
radius
(6.3)
¼ N, and rotatoria,
Al
reacomodarthis
éstato
fin de for
resolverla
paraGF
la velocidad
N, y con
uso del
diámetro,
Rearranging
this
toa solve
for
rotational
speed
N, and
D rather
than
radius
g using diameter
in
the
resulting
equation,
we
have
D,
en
vez
del
radio
en
la
ecuación
resultante,
se
tiene
in the resulting equation, we have
rffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi
Rearranging this to solve for rotational speed
N, and
ffi using diameter D rather than radius
30 rffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi
2gGF
(6.4)
in the resulting equation, we haveN ¼ 30 2gGF
(6.4)
D
(6.4)
N ¼ p rffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi
p
D ffi
30 2gGF
where
D 6.13
¼ inside
diameter
ofcentrifugal
the mold,
(ft). If(Credit:
the G-factor
is too low
in centrifugal
N ¼m
(6.4)
FIGURE
Setup
for true
casting.
Fundamentals
of Modern
where
D
¼
inside
diameter
of
the
mold,
m
IfelDthe
G-factor
is too
low
in
centrifugal
p(ft).
donde
D
es
el
diámetro
interior
del
molde,
m
(pie).
Si
factor
G
es
muy
pequeño
en
la
fundición
thmetal
casting,
the
liquid
will
not
remain
forced
against
the
mold
wall
during
the
upper
Edition
bynot
Mikell
P. Groover,
2010.
Reprinted
with
permission
of John
Manufacturing,
4 metal
casting,
the
liquid
will
remain
forced
against
the mold
wall
during
the
upperla
centrífuga,
el¼
metal
no
verá
forzado
ampermanecer
contra
la pared
del
molde
durante
half
of &the
circular
path
butsewill
‘‘rain’’
inside
theIf cavity.
Slipping
occurs
between
the
Wiley
Sons,
Inc.)líquido
where
D
inside
diameter
of
the
mold,
(ft).
the
G-factor
is
too
low
in
centrifugal
half
of
the
circular
path
but
will
‘‘rain’’
inside
the
cavity.
Slipping
occurs
between
the
mitad
superior
de
la
trayectoria
circular,
sino
que
“lloverá”
dentro
de
la
cavidad.
Hay
un
deslizamolten
metal
and
the
mold
wall,
which
means
that
the
rotational
speed
of
the
metal
is
less
casting,
the and
liquid
metal
will
not
remain
forced
against
the mold
wall
during
theisupper
molten
metal
the
mold
wall,
which
means
that
the
rotational
speed
of
the
metal
less
miento
entre
metal
fundido
y laempirical
pared
delbasis,
molde,
lothe
quecavity.
quetola 80
velocidad
rotacional
than
ofelthe
mold.
On but
an
values
ofsignifica
GF ¼
60
are found
to be
halfthat
of
the
circular
path
will
‘‘rain’’
inside
Slipping
occurs
between
the
than
that
the
mold.
an
empirical
basis,
values
of GF
¼
to 80
are[2]
found
to be
del
metal
esofmenor
que laOn
delcentrifugal
molde.
Concasting
una
base
empírica,
sethis
ha 60
encontrado
que extent
para
la
appropriate
for
horizontal
[2],
although
depends
to
some
molten
metal
and
the
mold
wall,
which
means
that
the
rotational
speed
of
the
metal
is
less
appropriate
for horizontal
centrifugal
casting
[2], although
to some
extent
fundición
centrífuga
horizontal
son apropiados
valores
de GF dethis
60 adepends
80, aunque
esto depende
onthan
the that
metal
being
cast.
of being
the mold.
an empirical basis, values of GF ¼ 60 to 80 are found to be
on the
metal
cast. On
hasta
cierto
punto
del metal
que se funde.
appropriate
for
horizontal
centrifugal
[2], although
this depends
to some
extent
A true centrifugal casting operation is casting
to be performed
horizontally
to make
copper
Aon
true
centrifugal
casting
operation is to be performed horizontally to make copper
the
metal
being
cast.
tubeoperación
sections with
OD ¼ 25
cm and real
ID ¼
What
speed is
required
if a
Una
de fundición
centrífuga
se22.5
llevacm.
a cabo
en rotational
forma horizontal,
a fin
de fabricar
tube sections with
OD ¼ 25
cm and ID ¼
22.5
cm.
What
rotational
speed is
required
if a
G-factor
of
65
is
used
to
cast
the
tubing?
A
true
centrifugal
casting
operation
is
to
be
performed
horizontally
to
make
copper
secciones
cobretocon
diámetro
exterior (DE) de 25 cm, y diámetro interior (DI) de 22.5
G-factor de
of tubo
65 isdeused
cast
the tubing?
tube
sections
with
OD
¼ 25 cmofand
ID
¼ 22.5
rotational
speed
is
required
if a
cm.
¿Cuál
es The
la velocidad
rotacional
que
requiere
si
seWhat
va
a usar
un factor
Gcm
de¼
650.25
param.
fundir
Solution:
inside
diameter
these
mold
D ¼cm.
OD
of the
casting
¼ 25
We
Solution:
The
inside
diameter
of
the
mold
D
¼
OD
of
the
casting
¼
25
cm
¼
0.25
m.
We
G-factor
of
65
is
used
to
cast
the
tubing?
elcan
tubo?
compute the required rotational speed from Eq. (6.4) as follows:
can compute the required rotational speed from Eq. (6.4) as follows:
Solution:El The
inside
diameter
offfiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi
the mold
D ¼del
OD
of thees
casting
¼ 0.25
m. We
Solución:
diámetro
interior
delr
molde
D = DE
fundido
de 25 ¼
cm25=cm
0.25
m. Con
la
ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi
30 rrotacional
2ð9:8Þð26Þ
can compute
required
rotational
speed
from
Eq.
(6.4)
as
follows:
ecuación
(6.4) se the
calcula
la N
velocidad
requerida,
como
sigue:
&
¼ 30 2ð9:8Þð26Þ ¼ 681:7 rev=min:
&
0:25
N ¼ p rffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi
¼ 681:7 rev=min:
p
0:25
30 2ð9:8Þð26Þ
In vertical centrifugalNcasting,
the effect of¼gravity
acting on the liquid metal causes
■&
681:7 rev=min:
¼
In vertical centrifugal casting,
the 0:25
effect of gravity acting on the liquid metal causes
p base
the casting wall to be thicker at the
than at the top. The inside profile of the casting
the casting wall to be thicker at the base than at the top. The inside profile of the casting
wall takes
on a parabolic
shape.
Consequently,
part
lengths
made
by
vertical
centrifugal
vertical
centrifugal
casting,
effect
of
acting
on
the
liquid
metal
causes
laInfundición
centrífuga
vertical,
elthe
efecto
depart
lagravity
gravedad
sobre
elby
metal
líquido
ocasiona
wallEn
takes
on a parabolic
shape.
Consequently,
lengths
made
vertical
centrifugal
casting
are usually
nobemore
thanatabout
twice
their
diameters.
This
is quite
satisfactory
for
the
casting
wall
to
thicker
the
base
than
at
the
top.
The
inside
profile
of
the
casting
que
la pared
de la fundición
másabout
gruesa
en latheir
basediameters.
que en la parte
El perfil interior
casting
are usually
no moresea
than
twice
Thissuperior.
is quite satisfactory
for
bushings
andon
other
parts that
haveConsequently,
large diameterspart
relatively
tomade
their by
lengths,
especially
if
wall
takes
a
parabolic
shape.
lengths
vertical
centrifugal
de
la paredand
de la
fundición
adopta
unalarge
forma
parabólica.
En consecuencia,
las longitudes
de las
bushings
other
parts that
have
diameters
relatively
to their lengths,
especially
if
machining
isusually
used tonoaccurately
size
thetwice
inside
diameter.
casting
are
more
than
about
their
diameters.
This
is
quite
satisfactory
for
piezas
que
se
fabrican
con
fundición
centrífuga
vertical
por
lo
general
no
son
más
del
doble
que
machining is used to accurately size the inside diameter.
Castings
made
by true
centrifugal
casting
are relatively
characterized
by high
density,
espe- if
bushings
and
other
parts
that
have
large
diameters
to
their
lengths,
especially
sus diámetros.
es muy
satisfactorio
para casting
rodamientos
y otros elementos
que tienen
diámetros
CastingsEsto
made
by true
centrifugal
are characterized
by high
density,
especially
in the is
outer
regions
of the part
where
centrifugal
force is greatest. Solidification
machining
used
to
accurately
size
the
inside
diameter.
de
mayor
tamaño
en
relación
con
sus
longitudes,
en
especial
si
se
hace
uso
de
algún
maquinado
cially in the outer regions of the part where centrifugal force is greatest. Solidification
shrinkage
at the made
exterior
of
the
cast tube casting
is not a factor,
because the
centrifugal
by
true
centrifugal
characterized
by high
density,force
espepara
dar Castings
la medida
al diámetro
interior.
shrinkage
at the exacta
exterior
of
the
cast
tube is not aare
factor,
because the
centrifugal
force
continually
reallocates
molten
metal
toward
the
mold
wall
during
freezing.
Any
impurities
cially
in
the
outer
regions
of
the
part
where
centrifugal
force
is
greatest.
Solidification
Las
fundiciones
hechas
con
fundición
centrífuga
real
se
caracterizan
por
su
densidad
elevacontinually reallocates molten metal toward the mold wall during freezing. Any impurities
inshrinkage
the castingattend
to
be on the
inner
wall
andiscan
be
by machining
if necessary.
the
exterior
ofexteriores
the
cast
tube
notdonde
a removed
factor,
because
the centrifugal
force
da,
en especial
en
lasto
regiones
de
la
pieza,
la fuerza
esifmáxima.
La
in the
casting tend
be on the
inner
wall
and
can
be
removed
by centrífuga
machining
necessary.
continually reallocates molten metal toward the mold wall during freezing. Any impurities
in the casting tend to be on the inner wall and can be removed by machining if necessary.
6.4
6.4 FOUNDRY
FOUNDRY PRACTICE
PRACTICE
In all
casting processes, the metal must be heated to the molten state to be poured or
6.4 FOUNDRY
PRACTICE
In all casting processes, the metal must be heated to the molten state to be poured or
124 CAPÍTULO 6 Procesos de fundición de metales
contracción por la solidificación en el exterior del tubo fundido no es un factor, porque la fuerza
centrífuga distribuye continuamente metal fundido en dirección de la pared del molde durante la
solidificación. Las impurezas de cualquier tipo tienden a estar en la pared interna y pueden ser
eliminadas por medio del maquinado si es que fuese necesario.
6.4
La práctica de la fundición
En todos los procesos de fundición, debe calentarse el metal hasta alcanzar el estado líquido para
vaciarlo o forzarlo de algún modo a que pase al molde. El calentamiento y la fusión se llevan a
cabo en un horno. Esta sección se ocupa de los diversos tipos de hornos que se emplean en las
fundidoras, así como de las prácticas de vaciado para llevar el metal fundido del horno al molde.
6.4.1
Hornos
Los tipos de hornos más comunes que se emplean en las fundidoras son 1) cubilotes, 2) hornos
de combustión directa, 3) hornos de crisol, 4) hornos de arco eléctrico y 5) hornos de inducción.
La selección del tipo más apropiado de horno depende de factores como: aleación por fundir; sus
temperaturas de fusión y vaciado; requerimientos de capacidad del horno; costos de la inversión,
la operación y el mantenimiento; y las consideraciones sobre contaminación ambiental.
Cubilotes Un cubilote es un horno cilíndrico vertical equipado con un canal de paso (o bebedero de sangrado) cerca de su base. Los cubilotes sólo se usan para hierros fundidos, y aunque
también se emplean otros hornos, el mayor peso en toneladas de hierro fundido se obtiene en
cubilotes. En la figura 6.14 se ilustra la construcción general y características de operación. Consiste en una carcasa grande de placa de acero recubierta con material refractario. La “carga”
consiste en hierro, coque, fundente y tal vez elementos de aleación, y se introduce a través de una
compuerta que se localiza a menos de la mitad de la altura del cubilote. Por lo general, el hierro
es una mezcla de arrabio y chatarra (incluyendo mazarotas, sistemas de alimentación y bebederos, procedentes de las fundiciones anteriores). El coque es el combustible que se usa para calentar el horno. Se introduce aire forzado a través de las aberturas cerca de la base de la carcasa para
la combustión del coque. El fundente es un compuesto alcalino como la roca caliza o cal, que
reacciona con la ceniza del coque y otras impurezas para formar la escoria. Ésta sirve para cubrir
la fundición, e impide que reaccione con el ambiente dentro del horno de cubilote, y también
reduce la pérdida de calor. Conforme la mezcla se calienta y ocurre la fundición del hierro, el
horno se sangra periódicamente para realizar el vaciado del metal líquido.
Un horno de combustión directa consta de un hogar abierto
pequeño en el que se calienta la carga de metal por medio de quemadores de combustible ubicados en uno de sus lados. El techo del horno contribuye a la acción de calentamiento reflejando
la flama hacia abajo contra la carga. El combustible común es gas natural, y los productos de la
combustión salen del horno a través de una chimenea. En la parte inferior del hogar hay un orificio de salida para liberar el metal fundido. Los hornos de combustión directa por lo general se
emplean en la fundición de metales no ferrosos como aleaciones base cobre y aluminio.
Hornos de combustión directa
Estos hornos funden el metal sin que tenga contacto directo con una mezcla
combustible. Por esta razón, en ocasiones se les llama hornos de combustión indirecta o calentados por combustión indirecta. En las fundidoras se utilizan tres tipos de crisoles: a) móvil, b)
estacionario y c) el basculante, los cuales se ilustran en la figura 6.15. Todos emplean un contenedor (el crisol) hecho de material refractario apropiado (por ejemplo, una mezcla de arcilla y
grafito) o una aleación de acero resistente a la alta temperatura, para contener la carga. En el
horno de crisol móvil, éste se coloca en un horno y se calienta lo suficiente para fundir la carga
de metal. Los combustibles comunes para estos hornos son petróleo, gas o carbón en polvo.
Cuando el metal se funde, el crisol se eleva fuera del horno y se usa como cuchara para el vacia-
Hornos de crisol
6.4
La práctica de la fundición 125
Interior
Interior
FIGURA 6.14 El horno
de cubilote es usado para
obtener hierro fundido. El
horno que se muestra es
común para una fundidora
pequeña y se omiten los
detalles del sistema de control de emisiones que se
requiere para un horno de
cubilote moderno. (Crédito:
Fundamentals of Modern
Manufacturing, 4a. ed., de
Mikell P. Groover, 2010.
Reimpreso con autorización
de John Wiley & Sons, Inc.)
Exterior
Puerta de carga
Piso de carga
Recubrimiento refractario
Carga
Fuelle
Carcasa de acero
Caja de viento
Metal fundido listo
para extraerse
Pasador (tapón)
Escoria
Canal de salida de la escoria
Fondo de arena
Canal de extracción
Soportes
do. Los otros dos tipos, que en ocasiones reciben el nombre de hornos de crisol con quemador
integrado (potfurnace en inglés), tienen el horno para calentar y el contenedor como unidad integrada. En el horno de crisol estacionario, el horno no se mueve y el metal fundido se extrae
con una cuchara del contenedor. En el horno de crisol basculante, todo el conjunto se inclina
para hacer el vaciado. Los crisoles se emplean para metales no ferrosos como el bronce, latón y
aleaciones de zinc y aluminio. Las capacidades de los hornos por lo general están limitadas a
varios cientos de libras.
Cubierta
Cubierta
Pico de
vaciado
Crisol
móvil
Manivela
de volteo
Cáscara
de acero
Horno de crisol
Base
Combustible
Combustible
Combustible
Bloque de apoyo
Revestimiento refractario
a)
b)
c)
FIGURA 6.15 Tres tipos de crisoles: a) crisol móvil, b) crisol estacionario y c) crisol basculante. (Crédito: Fundamentals of Modern
Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)
126 CAPÍTULO 6 Procesos de fundición de metales
Cubierta
Bobinas de inducción de cobre
FIGURA 6.16 Horno de
inducción. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell
P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John
Wiley & Sons, Inc.)
Metal fundido
(las flechas indican la
acción mezcladora)
Material refractario
En este tipo de horno, la carga se funde debido al calor generado por
un arco eléctrico que fluye entre dos o tres electrodos y el metal de carga. El consumo de energía
es alto pero los hornos eléctricos se diseñan para que tengan capacidad de fusión alta (23 000 a
45 000 kg/h, o 25 a 50 ton/h), y se usan sobre todo para fundir acero.
Hornos de arco eléctrico
Hornos de inducción Un horno de inducción emplea corriente alterna que pasa a través de una
bobina para desarrollar un campo magnético en el metal, y la corriente inducida que resulta ocasiona el calentamiento rápido y la fundición del metal. En la figura 6.16 se ilustran las características de un horno de inducción para las operaciones de fundición. El campo de fuerza electromagnética hace que ocurra una acción mezcladora en el metal líquido. Asimismo, como el metal no
entra en contacto directo con los elementos calefactores, el ambiente en donde se origina la fusión se puede controlar de cerca. Todo esto da como resultado metales fundidos de calidad y
pureza altas, y los hornos de inducción se emplean para casi cualquier aleación cuando estos requerimientos son importantes. En el trabajo de fundición son comunes las aplicaciones en donde
es necesario fundir aleaciones de acero, hierro y aluminio.
6.4.2 Vaciado, limpieza y tratamiento térmico
En ocasiones se lleva el metal fundido del horno de fundición al molde por medio de crisoles.
Con más frecuencia, la transferencia se lleva a cabo por medio de cucharas de colada. Éstas reciben el metal del horno y permiten que se vierta de manera conveniente en los moldes. En la
figura 6.17 se ilustran dos tipos de cucharas comunes, una es para manejar volúmenes grandes de
metal fundido por medio de una grúa viajera, y el otro es una “cuchara para dos hombres”, para
moverla en forma manual y vaciar cantidades pequeñas.
Uno de los problemas del vaciado es que podría introducirse metal fundido oxidado al molde. Los óxidos de metal reducen la calidad del producto y quizás hagan que la fundición sea defectuosa, por lo que se toman medidas para minimizar la entrada de estos óxidos en el molde
durante el vaciado. En ocasiones se emplean filtros para capturar los óxidos y otras impurezas
conforme se vierte el metal desde el pico de vaciado, y se emplean fundentes para cubrir el metal
fundido a fin de retardar la oxidación. Además, se han creado cucharas para vaciar el metal líquido desde el fondo, ya que los óxidos se acumulan en la superficie de superior.
Después de que el metal fundido se ha solidificado y retirado del molde, por lo general se
requiere cierto número de etapas adicionales. Estas operaciones incluyen 1) recorte, 2) remoción
del corazón, 3) limpieza de las superficies, 4) inspección, 5) reparación, si se requiriera y 6) dar
tratamiento térmico. En un taller de fundición los pasos del 1 al 5 constituyen las operaciones de
“limpieza”. El grado en que se requieren estas operaciones adicionales varía según los procesos
de fundición y los metales. Cuando se necesitan, por lo general son intensivas en mano de obra y
además costosas.
El recorte involucra la remoción de los bebederos, sistemas de alimentación, mazarotas, rebabas en la línea de partición, sujetadores, laminillas metálicas y cualquier exceso de metal de la
pieza fundida. En el caso de aleaciones fundidas frágiles y cuando las secciones transversales
6.5
Calidad de la fundición 127
Gancho para
la grúa
Vista superior
Caja de engranes
para el vaciado
Pico de
vaciado
Manivela
de volteo
a)
(a)
Mango
Vista frontal
(b)b)
FIGURA 6.17 Dos tipos comunes de cucharas de colada: a) cuenco de grúa y b) cuenco para dos hombres. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso
con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)
sean relativamente pequeñas, es posible romper estos apéndices de la fundición. De otro modo,
hay que martillar, cortar, cortar con segueta, cortar con rueda abrasiva o con varios métodos de
corte con soplete.
Si se han usado corazones para obtener la pieza fundida, hay que retirarlos. La mayor parte
de corazones están unidos químicamente o con arena y aceite, y es frecuente que caigan de la
fundición si el aglutinante se deteriora. En ciertos casos se retiran por medio del golpeo a la fundición, ya sea en forma manual o mecánica. En instancias raras los corazones se retiran en forma
química con la disolución del agente aglutinante que se usó en el corazón de arena. Los corazones
sólidos deben martillarse o presionarse.
La limpieza de las superficies es lo más importante en el caso de la fundición con arena. En
muchos de los otros métodos de fundición, en especial los procesos con molde permanente, puede evitarse este paso. La limpieza de las superficies involucra la remoción de la arena de la superficie del fundido y otras maneras de mejorar su apariencia. Los métodos que se usan para
limpiar superficies incluyen la fricción por tambor rotatorio (tumbling, en inglés), el soplo de
aire con granos de arena gruesa (sanblasteado) o balines de metal, uso de cepillos de alambre,
pulido y limpieza con baño químico (véase el capítulo 21).
Es posible que la fundición tenga defectos, por lo que se necesita inspección para detectar su
presencia. En la sección siguiente se estudian esos temas de la calidad.
Es frecuente que las fundiciones reciban tratamiento térmico (véase el capítulo 20) a fin de
mejorar sus propiedades, ya sea con operaciones subsecuentes como el maquinado o resaltar las
propiedades que se desean para la aplicación de la pieza en el servicio.
6.5 Calidad de la fundición
Hay muchas formas de que las cosas salgan mal en una operación de fundición, lo que da como
resultado defectos de calidad del producto. En esta sección se recopila una lista de los defectos
comunes que ocurren durante la fundición, y se indican los procedimientos de inspección para
detectarlos.
Defectos de fundición Algunos defectos que son comunes a todos los procesos de fundición
se ilustran en la figura 6.18 y se describen brevemente a continuación:
a) Llenado incompleto, son fundiciones que se solidifican antes de llenar por completo la cavidad del molde. Las causas comunes incluyen: 1) fluidez insuficiente del metal fundido, 2)
temperatura de vaciado muy baja, 3) vaciado lento y 4) sección transversal de la cavidad del
molde muy delgada.
128 CAPÍTULO 6 Procesos de fundición de metales
Molde
FIGURA 6.18 Algunos defectos comunes
de las fundiciones: a)
llenado incompleto, b)
junta fría, c) gránulos
fríos, d) cavidad por
contracción, e) microporosidad y f) desgarramiento caliente.
(Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de
Mikell P. Groover,
2010. Reimpreso con
autorización de John
Wiley & Sons, Inc.)
Gránulos
fríos
Junta
fría
Llenado
incompleto
Corazón
Molde
Molde
Molde
a)
Cavidad por
contracción
c)
b)
Molde
Microporosidad
(se ha exagerado
su tamaño)
Molde
Desgarramientos
calientes
Molde
d)
e)
f)
b) Juntas frías, ocurren cuando dos porciones del metal fluyen al mismo tiempo pero no hay
fusión entre ellas debido a la solidificación prematura. Sus causas son similares a las del
llenado incompleto.
c) Gránulos fríos, resultan de las salpicaduras durante el vaciado, lo que ocasiona la formación
de glóbulos sólidos de metal que quedan atrapados en la fundición. Este defecto puede evitarse con procedimientos de vaciado y diseños del sistema de compuerta que eviten las salpicaduras.
d) Cavidad por contracción, es una depresión en la superficie o un hueco interno en la fundición, causado por la solidificación por contracción que restringen la cantidad de metal fundido disponible en la última región que se solidifica. Es frecuente que ocurra cerca de la
parte superior de la fundición, en cuyo caso se conoce como “rechupe” [véase la figura
5.6(3)]. Con frecuencia, el problema se resuelve con el diseño apropiado de la mazarota.
e) Microporosidad, consiste en una red de huecos pequeños distribuidos en la fundición, ocasionados por la falta de solidificación localizada del metal fundido final en la estructura
dendrítica. Este defecto se asocia por lo general con aleaciones, debido a la manera fraccionada en que ocurre la solidificación en esos metales.
f) Desgarramiento caliente, también llamado agrietamiento caliente, ocurre cuando la fundición no puede contraerse por un molde que no lo propicia durante las etapas finales de la
solidificación, o en las primeras etapas del enfriamiento después de solidificarse. El defecto
se manifiesta como la separación del metal (de ahí los términos desgarramiento y agrietamiento) en un punto de gran esfuerzo a la tensión ocasionado por la incapacidad del metal
de contraerse en forma natural. En la fundición con arena y otros procesos con moldes desechables, se evita haciendo que el molde sea colapsable. En los procesos con molde permanente, el desgarramiento caliente disminuye si se retira la pieza del molde inmediatamente
después de la solidificación.
Algunos defectos se relacionan con el uso de moldes de arena, y por ello ocurren sólo en las
fundiciones en arena. En menor grado, otros procesos con moldes desechables también son susceptibles de provocar estos problemas. En la figura 6.19 se ilustran los defectos que ocurren sobre
todo en la fundición con arena, y se describen en seguida:
a) Sopladura, es un defecto que consiste en una cavidad de gas en forma de globo, ocasionada
por la liberación de gases del molde durante el vaciado. Ocurre en o por debajo de la superficie de la fundición, cerca de la parte superior de ésta. Las causas habituales son baja permeabilidad, mala ventilación y contenido de humedad alto del molde de arena.
6.5
Sopladura
Calidad de la fundición 129
Puntos de alfiler
Costra
Molde
Molde
a)
Molde
b)
Caídas de arena
Corrimiento del molde
superior con respecto
al molde inferior
Penetración
Molde
superior
d)
c)
El corazón
se ha desplazado
hacia arriba
Grieta de
molde
g)
h)
Línea de
partición
Molde
inferior
e)
f)
FIGURA 6.19 Defectos comunes en las fundiciones con arena: a) sopladura, b) puntos de alfiler, c)
caídas de arena, d) costras, e) penetración, f) corrimiento del molde, g) corrimiento del corazón y h) molde
agrietado. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)
b) Puntos de alfiler, también los ocasiona la liberación de gases durante el vaciado y consisten
en muchas cavidades pequeñas por gases formadas en o ligeramente debajo de la superficie
de la fundición.
c) Caídas de arena, es una irregularidad en la superficie de la fundición que se genera por
la erosión del molde de arena durante el vaciado, y el contorno de la erosión se forma en la
superficie de la pieza fundida final.
d) Costras, son áreas rugosas en la superficie del fundido debido a incrustaciones de arena y
metal. Las ocasionan porciones de la superficie del molde que se desprenden durante la solidificación y quedan adheridas en la superficie del metal fundido.
e) Penetración, es un defecto de la superficie que ocurre cuando la fluidez del metal líquido es
alta, y penetra en el molde de arena o corazón de arena. Una vez solidificado, la superficie de
la fundición consiste en una mezcla de granos de arena y metal. Una mejor compactación del
molde de arena ayuda a disminuir esta condición.
f) Corrimiento del molde, se refiere a un defecto ocasionado por el movimiento lateral del
molde superior (cope, en inglés) en relación al molde inferior (drag, en inglés), lo que da por
resultado un escalón en la fundición, sobre la línea de partición.
g) Corrimiento del corazón, es similar al del molde, pero es el corazón el que se mueve, y por
lo general su desplazamiento es vertical. El desplazamiento del corazón es ocasionado por la
flotación del metal fundido y su tendencia a elevar el corazón, que es más ligero.
h) Molde agrietado, ocurre cuando la resistencia del molde es insuficiente y se presenta una
grieta, en la que entra metal líquido y forma una “laminilla delgada o rebaba” en la fundición
final.
Métodos de inspección Los procedimientos de inspección en una fundidora contemplan: 1)
inspección visual para detectar defectos obvios como el llenado incompleto, juntas frías y defectos superficiales severos; 2) medida de las dimensiones para garantizar que se cumple con las
tolerancias, y 3) pruebas metalúrgicas, químicas, físicas y de otro tipo, relacionadas con la calidad inherente del metal que se funde [7]. Las pruebas de la categoría 3 incluyen: a) pruebas de
presión, para localizar fugas en la fundición; b) métodos radiográficos, pruebas de partículas
magnéticas, uso de líquidos penetrantes fluorescentes y pruebas supersónicas, para detectar defectos superficiales o internos en la fundición y c) pruebas mecánicas para determinar propiedades como resistencia a la tensión y dureza. Si los defectos que se descubren no son muy serios,
130 CAPÍTULO 6 Procesos de fundición de metales
con frecuencia es posible salvar la fundición por medio de soldadura, esmerilado u otros métodos
de recuperación con los que el cliente esté de acuerdo.
6.6 Metales para fundición
La mayoría de las fundiciones comerciales están hechas con aleaciones y no con metales puros.
Por lo general, las aleaciones son más fáciles de fundir, y las propiedades del producto resultante
son mejores. Las aleaciones de fundición pueden ser clasificadas como ferrosas o no ferrosas. La
categoría de las ferrosas se subdivide en hierro fundido (colado) y acero fundido.
Aleaciones ferrosas de fundición: Hierro fundido El hierro fundido (colado) es el más importante de todas las aleaciones para fundición. El peso en toneladas de las fundiciones hechas
con hierro es varias veces el de todos los demás metales combinados. Hay varios tipos de hierros
fundidos (véase la sección 2.1.2): 1) hierro fundido gris, 2) hierro nodular, 3) hierro fundido
blanco, 4) hierro maleable y 5) fundiciones de aleación de hierro. Las temperaturas comunes de
vaciado para el hierro fundido son alrededor de 1 400 °C (2 500 °F), lo que depende de su composición.
Aleaciones ferrosas de fundición: acero Las propiedades mecánicas del acero lo hacen un
material atractivo para la ingeniería (véase la sección 2.1.1), y la capacidad de crear formas complejas hace que la fundición sea un proceso atractivo. Sin embargo, las fundidoras que se especializan en acero enfrentan dificultades grandes. En primer lugar, el punto de fusión del acero es
considerablemente más alto que el de la mayoría de metales que son fundidos comúnmente. El
intervalo de solidificación para aceros al bajo carbono comienza apenas por debajo de 1 540 °C
(2 800 °F). Esto significa que la temperatura que se requiere para vaciar el acero es muy alta,
cerca de 1 650 °C (3 000 °F). A estas temperaturas tan elevadas el acero tiene una química muy
reactiva. Se oxida con rapidez, por lo que deben emplearse procedimientos especiales durante la
fundición y vaciado a fin de aislar al metal fundido del aire. Asimismo, el acero fundido tiene
relativamente poca fluidez, y esto limita el diseño de secciones delgadas en componentes fundidos de acero.
Son varias las características de los fundidos de acero que hacen benéfico el esfuerzo de resolver estos problemas. La resistencia a la tensión es mayor que la de la mayoría de metales para
fundición, y es de 410 MPa (60 000 lb/pulg2), aproximadamente [9]. Las fundiciones de acero
tienen una mejor tenacidad que la mayor parte de otras aleaciones fundidas. Las propiedades de
las fundiciones de acero son isotrópicas; su resistencia es virtualmente la misma en todas direcciones. Por el contrario, las piezas conformadas mecánicamente (por ejemplo, laminado, forjado)
presentan propiedades que varían con la dirección. En función de los requerimientos del producto, puede ser deseable que el comportamiento de un material sea isotrópico. Otra ventaja de las
fundiciones de acero es la facilidad con que se sueldan. Se sueldan sin que haya pérdida significativa de su resistencia para reparar la fundición, o para fabricar estructuras con otros componentes de acero.
Los metales no ferrosos para fundición incluyen aleaciones de aluminio, magnesio, cobre, estaño, zinc, níquel y titanio (véase la sección 2.1.3). Las
aleaciones de aluminio por lo general se consideran muy susceptibles de fundirse. El punto de
fusión del aluminio puro es de 660 °C (1 220 °F), por lo que las temperaturas de vaciado de las
aleaciones fundidas de aluminio son bajas en comparación con el hierro fundido (colado) y el
acero. Sus propiedades las hacen atractivas para que sean fundidas: bajo peso, rango amplio de
propiedades de resistencia que se logran por medio de tratamiento térmico, y facilidad de maquinado. Las aleaciones de magnesio son las más ligeras de todos los metales para fundición. Otras
propiedades incluyen resistencia a la corrosión, así como buenas resistencias a peso y rigidez a
peso.
Las aleaciones de cobre incluyen bronce, latón y aluminio-bronce. Las propiedades que los
hacen atractivos son la resistencia a la corrosión, apariencia atractiva, y buenas cualidades para
servir como elementos antifricción. El costo elevado del cobre es una limitación en el uso de sus
Aleaciones no ferrosas de fundición
6.7
Consideraciones sobre el diseño del producto 131
aleaciones. Las aplicaciones incluyen coples para tubos, aspas de propelas marinas, componentes
de bombas y joyería.
El estaño tiene el punto de fusión más bajo de los metales para fundición. Las aleaciones
base estaño por lo general son fáciles de fundir. Tiene buena resistencia a la corrosión pero mala
resistencia mecánica, lo que limita sus aplicaciones a vasijas de peltre y productos similares que
no requieren mucha resistencia. Las aleaciones de zinc se emplean comúnmente en la fundición
con dados. El zinc tiene un punto de fusión bajo y buena fluidez, lo que lo hace muy susceptible
para trabajarse en el proceso de fundición. Su principal desventaja es su baja resistencia a la termofluencia, por lo que sus fundiciones no pueden estar bajo esfuerzos altos y prolongados.
Las aleaciones de níquel tienen buena resistencia al calor y a la corrosión, lo que las hace
apropiadas para aplicaciones de temperaturas altas como motores de propulsión a chorro y componentes de cohetes, protectores contra el calor y otros productos similares. Las aleaciones de níquel también tienen un punto de fusión alto y no son fáciles de fundir. Las aleaciones de titanio
para fundición son resistentes a la corrosión y poseen relaciones altas de resistencia a peso. Sin
embargo, el titanio tiene un punto de fusión alto, poca fluidez y es propenso a oxidarse a temperaturas elevadas. Estas propiedades hacen difícil la fundición del elemento y de sus aleaciones.
6.7 Consideraciones sobre el diseño del producto
Si el diseñador del producto elige a la fundición como el proceso de manufactura principal de
cierto componente, entonces deben seguirse ciertos lineamientos para facilitar la producción
de la pieza y evitar muchos de los defectos que se enumeran en la sección 6.5. A continuación se
presentan algunos de los lineamientos importantes y consideraciones para la fundición.
• Simplicidad geométrica. Aunque la fundición es un proceso que puede usarse para producir
piezas de forma compleja, la simplificación del diseño de ésta mejorará su capacidad para
fundirse. Evitar complejidades innecesarias simplifica la fabricación del molde, reduce la
necesidad de corazones y mejora la resistencia de la fundición.
• Esquinas. Deben evitarse las esquinas y ángulos agudos, porque son fuentes de concentración de esfuerzos y ocasionan desgarramientos calientes y grietas en la fundición. Deben
diseñarse biseles o el aumento de radios de curvatura en esquinas internas, y suavizar los
bordes agudos.
• Los espesores de sección deben ser uniformes a fin de evitar cavidades debido a la contracción. Las secciones gruesas crean puntos calientes en la fundición, debido a que un volumen
mayor requiere un mayor tiempo para solidificarse y enfriarse. Éstas son ubicaciones probables de las cavidades o bolsas por contracción.
• Ahusamiento (ángulo de salida). Las secciones de la pieza que se proyectan al interior del
molde deben tener un ahusamiento o ángulo de salida, como se define en la figura 6.20. En
la fundición con moldes desechables, el propósito de ese ahusamiento es ayudar a extraer el
modelo del molde. Deben permitirse holguras similares si se emplean corazones sólidos en
el proceso de fundición. Para la fundición con moldes de arena el ángulo de salida que se
requiere necesita ser de sólo 1°, y de 2° a 3° para procesos con moldes permanentes.
• Uso de corazones. Ciertos cambios pequeños en el diseño de la pieza reducen la necesidad
de utilizar corazones, como se ilustra en la figura 6.20.
• Tolerancias dimensionales. Hay diferencias significativas en la precisión dimensional que
puede alcanzarse en las fundiciones, lo que depende del proceso que sea utilizado. En la tabla 6.1 se presenta una recopilación de tolerancias comunes para piezas para diferentes procesos de fundición y diversos metales.
• Acabado superficial. La rugosidad superficial típica que se logra en el proceso de fundición
con arena es de alrededor de 6 μm (250 μpulg). Resultados semejantes se obtienen con el
moldeo en cáscara en donde se obtiene malos acabados, en tanto que los moldes de yeso y la
fundición por revestimiento producen mucho mejores valores de rugosidad: 0.75 μm (30
μpulg). Entre los procesos con molde permanente es notable la fundición con dados debido
a los buenos acabados superficiales, los cuales se encuentran alrededor de 1 μm (40 μpulg).
132 CAPÍTULO 6 Procesos de fundición de metales
Ángulo Ángulo
de salida de salida
(ahusamiento)
Molde
superior
Corazón
Molde
superior
Molde
inferior
Molde
inferior
Línea de partición
a)
Ángulo
de salida
b)
Línea de
partición
FIGURA 6.20 Definición del ángulo de salida o ahusamiento. También se muestra el cambio del diseño
para eliminar la necesidad de utilizar un corazón; a) diseño original y b) rediseño. (Crédito: Fundamentals
of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley
& Sons, Inc.)
• Tolerancias de maquinado. En muchos procesos de fundición las tolerancias que puede alcanzarse son insuficientes para satisfacer las necesidades de funcionamiento en muchas aplicaciones. La fundición en arena es el ejemplo más notable con esta deficiencia. En estos
casos deben maquinarse las piezas del material fundido para darles las dimensiones requeridas. Casi todas las fundiciones en arena deben maquinarse hasta cierto grado teniendo como
objetivo que la pieza sea funcional. Por tanto, en ésta se deja material adicional, llamado
tolerancia de maquinado, para maquinar esas superficies donde sea necesario. Las tolerancias comunes de maquinado para fundiciones en arena varían entre 1.5 mm y 3 mm (1/16
pulg y 1/4 pulg).
TABLA 6.1
Tolerancias dimensionales típicas para diferentes procesos de fundición y metales
Tolerancia
Proceso de fundición
Fundición con arena
Aluminioa
Hierro fundido
Aleaciones de cobre
Acero
Moldes en cáscara
Aluminioa
Hierro fundido
Aleaciones de cobre
Acero
Molde de yeso
Tamaño de
la parte
mm
pulg
Pequeño
Pequeño
Grande
Pequeño
Pequeño
Grande
±0.5
±1.0
±1.5
±0.4
±1.3
±2.0
±0.020
±0.040
±0.060
±0.015
±0.050
±0.080
Pequeño
Pequeño
Pequeño
Pequeño
Pequeño
Grande
±0.25
±0.5
±0.4
±0.8
±0.12
±0.4
±0.010
±0.020
±0.015
±0.030
±0.005
±0.015
Recopilado de [7], [14] y de otras fuentes.
a Los valores para el aluminio también se aplican para el magnesio.
Tolerancia
Proceso de fundición
Molde permanente
Aluminioa
Hierro fundido
Aleaciones de cobre
Acero
Fundición con dados
Aluminioa
Aleaciones de cobre
Fundición por revestimiento
Aluminioa
Hierro fundido
Aleaciones de cobre
Acero
Tamaño de
la parte
mm
Pequeño
Pequeño
Pequeño
Pequeño
±0.25
±0.8
±0.4
±0.5
±0.010
±0.030
±0.015
±0.020
Pequeño
Pequeño
±0.12
±0.12
±0.005
±0.005
Pequeño
Pequeño
Pequeño
Pequeño
±0.12
±0.25
±0.12
±0.25
±0.005
±0.010
±0.005
±0.010
pulg
Problemas 133
Referencias
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
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Preguntas de repaso
6.1. Mencione las dos categorías básicas de los procesos de fundición.
6.2. Existen varios tipos de modelos que se usan en el moldeo en
arena. ¿Cuál es la diferencia entre un modelo dividido y otro
con placa de acoplamiento?
6.3. ¿Qué es un sujetador?
6.4. ¿Qué propiedades determinan la calidad de un molde hecho
de arena para la fundición?
6.5. ¿Cuál es el proceso de Antioch?
6.6. ¿Cuáles son los metales más comunes que se emplean en la
fundición con dados?
6.7. ¿Cuáles máquinas de fundición con dados tienen por lo general una tasa o velocidad de producción más elevada, las de
cámara fría o las de cámara caliente, y por qué?
6.8. ¿Qué es la rebaba, en la fundición con dados?
6.9. ¿Qué es un horno de cubilote?
6.10. ¿Cuáles son algunas de las operaciones que se requieren en
la fundición en arena, después de que la fundición se retira
del molde?
6.11. ¿Cuáles son algunos de los defectos generales que se encuentran en los procesos de fundición? Mencione y describa
tres, en forma breve.
Problemas
6.1. Una operación de fundición centrífuga real horizontal va a
emplearse para fabricar tubería de cobre. Las longitudes serán de 1.5 m, con diámetro exterior de 15.0 cm, y con diámetro interior de 12.5 cm. Si la velocidad rotacional del tubo es
de 1 000 rev/min, determine el factor G.
6.2. Una operación de fundición centrífuga real se lleva a cabo
con una configuración horizontal, para fabricar secciones de
tubería de hierro. Las secciones tendrán una longitud de 42.0
pulg, el diámetro exterior es de 8.0 pulg, y el espesor de la
pared es de 0.50 pulg. Si la velocidad rotacional del tubo es
de 500 rev/min, determine el factor G. ¿Es probable que la
operación vaya a tener éxito?
6.3. Un proceso de fundición centrífuga real horizontal se emplea para fabricar bujes de latón de las dimensiones siguientes: longitud de 10 cm, diámetro exterior de 15 cm y diámetro interior de 12 cm. a) Determine la velocidad rotacional
que se requiere a fin de obtener un factor G de 70. b) Cuando
opera a esta velocidad, ¿cuál es la fuerza centrífuga por me-
tro cuadrado (Pa) que el metal fundido impone sobre la pared interior del molde? La densidad del latón es de 8.62 g/
cm3.
6.4. Una fundición centrífuga real se lleva a cabo en forma horizontal para fabricar secciones de tubo de cobre de diámetro
grande. Los tubos tienen una longitud de 1.0 m, diámetro de
0.25 m y espesor de pared de 15 mm. a) Si la velocidad
de rotación del tubo es de 700 rev/min, determine el factor G
sobre el metal derretido. b) ¿La velocidad de rotación es suficiente para evitar la “lluvia”? c) ¿Qué volumen de metal
fundido debe ser vaciado en el molde para hacer la fundición, si se toman en cuenta las pérdidas por contracción debida al cambio de estado y la contracción térmica? La contracción por cambio de estado del cobre es de 4.5% y su
contracción térmica sólida es de 7.5%.
6.5. Si se realizara una operación de fundición centrífuga real en
una estación espacial que circula alrededor de la Tierra, ¿cómo afectaría al proceso la falta de peso?
134 CAPÍTULO 6 Procesos de fundición de metales
6.6. Se emplea un proceso de fundición centrífuga real horizontal
para hacer anillos de aluminio con las dimensiones siguientes: longitud de 5 cm, diámetro exterior de 65 cm y diámetro
interior de 60 cm. a) Determine la velocidad rotacional que
dará un factor G de 60. b) Suponga que el anillo estuviera
hecho de acero en vez de aluminio. Si en la operación de
fundición del acero se empleara la velocidad rotacional que
se calculó en el inciso a), determine el factor G, y c) la fuerza centrífuga por metro cuadrado (Pa) sobre la pared del
molde. d) ¿Esta velocidad rotacional daría como resultado
una operación exitosa? La densidad del acero es de 7.87 g/
cm3.
6.7. Para el anillo de acero del problema 6.6b), determine el volumen de metal fundido que debe vaciarse al molde, dado
que la pérdida de líquido es de 0.5%, la contracción por solidificación es de 3% y la contracción sólida después de la
solidificación es de 7.2%.
6.8. Se usa un proceso de fundición centrífuga real horizontal
para fabricar tubo de plomo para plantas químicas. El tubo
tiene una longitud de 0.5 m, diámetro exterior de 70 mm y
espesor de pared de 6.0 mm. Determine la velocidad de rotación que dará un factor G de 60.
6.9. La carcasa de cierto producto de maquinaria está hecho con
dos componentes, ambos son fundiciones de aluminio. El
componente más grande tiene la forma de tarja, y el segundo
es una cubierta plana que se adjunta al primero para crear un
espacio cerrado para las piezas de la maquinaria. Se utiliza
fundición en arena para producir las dos fundiciones, las
cuales están llenas de defectos como llenados incompletos y
juntas frías. El supervisor se queja de que las piezas son demasiado delgadas, y afirma que ésta es la razón de los defectos. Sin embargo, se sabe que en otras fundidoras elaboran
con éxito los mismos componentes. ¿Qué otra explicación
podría haber para los defectos?
6.10. Una fundición en arena grande de acero, presenta los signos
característicos del defecto de penetración, superficie que
consiste en una mezcla de arena y metal. a) ¿Qué medidas
pueden tomarse para corregir el defecto? b) ¿Qué otros defectos posibles podrían resultar si se implantara cada una de
esas medidas?
7
Trabajo del vidrio
CONTENIDO DEL CAPÍTULO
7.1
7.2
Preparación y fusión de las materias primas
Procesos de moldeo durante el trabajado del
vidrio
7.2.1 Moldeo de artículos de vidrio
7.2.2 Moldeo de vidrio plano y tubular
7.2.3 Formado de fibras de vidrio
7.3
7.4
Tratamiento térmico y acabado
7.3.1 Tratamiento térmico
7.3.2 Acabado
Consideraciones sobre el diseño del producto
Los productos de vidrio se manufacturan comercialmente en una variedad casi ilimitada de formas o geometrías. Muchos se producen en cantidades muy grandes, como las bombillas, botellas
para bebidas y vidrio para ventanas. Otros, como los lentes de los telescopios gigantes, se fabrican de manera individual.
El vidrio es uno de tres tipos básicos de materiales cerámicos (véase la sección 2.2). Lo
distingue su estructura no cristalina (vítrea), mientras que los demás materiales cerámicos la
tienen cristalina. Los métodos por los que el vidrio es convertido en productos útiles son muy
distintos de aquellos que se emplean para los otros tipos. En el trabajo del vidrio, el material
principal de inicio es la sílice (SiO2); por lo general, ésta se combina con otros óxidos cerámicos
que forman vidrios. El material inicial se calienta para transformarlo de un sólido duro en un
líquido viscoso; luego se le moldea a la geometría que se desea mientras se encuentra en esa
condición fluida. Cuando se enfría y endurece, el material permanece en el estado vítreo en lugar
de cristalizarse.
La secuencia típica para manufacturar el vidrio consiste en las etapas que se ilustran en la
figura 7.1. El moldeo se lleva a cabo mediante varios procesos, que incluyen la fusión, el prensado y el soplado (para producir botellas y otros contenedores), y el laminado (para hacer vidrio
plano). Para ciertos productos se requiere una etapa de acabado.
7.1 Preparación y fusión de las materias primas
El componente principal de casi todos los vidrios es la sílice, cuya fuente principal es el cuarzo
de la arena natural. La arena debe lavarse y clasificarse. El lavado quita las impurezas como la
arcilla y ciertos materiales que teñirían al vidrio con un color indeseable. Clasificar la arena significa agrupar los granos de acuerdo con su tamaño. El tamaño de partícula más conveniente
para hacer vidrio está en el rango de 0.1 a 0.6 mm (0.004 a 0.025 pulg) [3]. Los diversos componentes adicionales, como carbonato de sodio (fuente del Na2O), roca caliza (fuente del CaO),
óxido de aluminio, potasa (fuente del K2O) y otros minerales, se agregan en proporciones adecuadas para obtener la composición deseada. Generalmente la mezcla se hace por lotes, en cantidades compatibles con las capacidades de los hornos de fundición de que se disponga.
En la práctica moderna, se suele agregar vidrio reciclado a la mezcla. Además de proteger el
ambiente, el vidrio reciclado facilita la fusión. En función de la cantidad de desperdicios de vi-
136 CAPÍTULO 7 Trabajo del vidrio
Artículo de vidrio
Arena
Vidrio fundido
1)
2)
3)
FIGURA 7.1 Secuencia típica del proceso del trabajado del vidrio: 1) preparación y fusión de la materia
prima, 2) moldeo y 3) tratamiento térmico. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de
Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)
drio disponibles y las especificaciones de la composición final, la proporción de vidrio reciclado
puede alcanzar hasta 100%.
El lote de los materiales de inicio por fundir se conoce como carga, y el procedimiento de
cargarlo en el horno de fundición se denomina cargado del horno. Los hornos para fundir vidrio
se dividen en los tipos siguientes [3]: 1) hornos de crisol, crisoles de material cerámico de capacidad limitada en la que ocurre la fusión por medio del calentamiento de sus paredes; 2) tanques
refractarios, contenedores cerámicos de capacidad más grande para la producción de lotes, en
los que el calentamiento se realiza mediante quemadores alimentados por combustibles sobre la
carga; 3) hornos de tanque refractario continuo, hornos de tanque o contenedor largo en los que
las materias primas se introducen por un extremo, y éstas se funden conforme se mueven hacia el
otro, donde se extrae el vidrio fundido para alta producción, y 4) hornos eléctricos, de los cuales
hay una gran variedad de diseños para un rango amplio de tasas de producción.
La fusión del vidrio por lo general implica temperaturas aproximadas que oscilan entre 1 500
y 1 600 °C (de 2 700 a 2 900 °F). El ciclo de fusión para una carga común requiere de 24 a 48
horas. Éste es el tiempo necesario para que todos los granos de arena se conviertan en un líquido
claro a fin de que se refine el vidrio fundido y se enfríe a la temperatura adecuada para el trabajo.
El vidrio fundido es un líquido viscoso, su viscosidad se relaciona en forma inversa con la temperatura. Debido a que la operación de moldeo sigue de inmediato al ciclo de fusión, la temperatura a la que el vidrio se extrae del horno depende de la viscosidad que se requiera para el siguiente proceso.
7.2 Procesos de moldeo durante el trabajado del vidrio
Las categorías principales de los productos de vidrio son el vidrio para las ventanas, los recipientes, las bombillas, el vidrio para cristalería de laboratorios, las fibras de vidrio y el vidrio óptico.
A pesar de la variedad de esta lista, los procesos de moldeo para fabricar estos productos se
agrupan sólo en tres categorías: 1) procesos discretos para artículos de vidrio, que incluye botellas, bombillas y otros productos individuales; 2) procesos continuos para fabricar vidrio plano
(hojas y placas de vidrio para ventanas) y tubería (para artículos de laboratorio y lámparas fluorescentes), y 3) procesos para la producción de fibras para aislantes, materiales compósitos de
fibra de vidrio y fibra óptica.
7.2.1
Moldeo de artículos de vidrio
Los métodos antiguos para trabajar el vidrio a mano, como el soplado, aún se emplean para fabricar cantidades pequeñas de artículos de vidrio de mucho valor. La mayoría de procesos estudiados en esta sección son tecnologías altamente mecanizadas para producir cantidades grandes
de piezas discretas como frascos, botellas y bombillas (focos).
7.2
Procesos de moldeo durante el trabajado del vidrio 137
Trozo de
vidrio caliente
FIGURA 7.2 Centrifugado (spinning) de piezas de vidrio en forma de embudo: 1) Trozo de
vidrio que se coloca en el molde y 2) rotación
del molde para hacer que el vidrio fundido se
distribuya sobre su superficie. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de
Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)
Molde
2)
1)
Centrifugado El centrifugado (spinning, en inglés) del vidrio es semejante a la fundición cen-
trífuga de los metales, y también se conoce con ese nombre en el contexto del trabajo o fabricación del vidrio. Se usa para producir componentes en forma de embudo. En la figura 7.2 se ilustra
la preparación. Se coloca un trozo de vidrio fundido en un molde cónico hecho de acero. Se hace
girar el molde de modo que la fuerza centrífuga haga que el vidrio fluya hacia arriba y se distribuya sobre la superficie del molde.
Prensado Éste es un proceso muy utilizado para la producción en masa de piezas de vidrio como
platos, moldes de pastelería, difusores para faros y artículos similares que son relativamente planos.
El proceso se ilustra y describe en la figura 7.3. En esta secuencia de producción, las cantidades
grandes de la mayoría de productos prensados justifican un nivel alto de automatización.
Soplado Varias secuencias de moldeo incluyen una o más etapas de soplado. En lugar de ser
una operación manual, el soplado se ejecuta en equipo muy automatizado. Las dos secuencias
aquí descritas son para los métodos de prensado y soplado, y soplado y soplado.
Como el nombre lo indica, el método de prensado y soplado es una operación de prensado
seguida de otra de soplado, como se ilustra en la figura 7.4. El proceso se adapta a la producción
de contenedores de boca ancha. En la operación de soplado se emplea un molde deslizante para
la etapa de remoción.
El método de soplado y soplado se utiliza para producir botellas de boca estrecha. La secuencia es similar a la precedente, excepto que se usan dos (o más) operaciones de soplado en vez
de sólo prensado y soplado. Hay variantes de este proceso, lo que depende de la geometría del
v, F
Pistón
Trozo
de vidrio
Molde
1)
2)
3)
FIGURA 7.3 Prensado de una pieza plana de vidrio: 1) se pone en el molde un trozo procedente del
horno, 2) un émbolo presiona para moldearlo y 3) se retira el pistón y el producto terminado se extrae. Los
símbolos v y F significan el movimiento (v = velocidad) y la fuerza aplicada, respectivamente. (Crédito:
Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización
de John Wiley & Sons, Inc.)
138 CAPÍTULO 7 Trabajo del vidrio
v, F
Anillo del
cuello (collarín)
Pistón
Entrada de aire
v
Cabeza de soplado
Parison
Trozo
de vidrio
Molde de
la prensa
Molde de soplado
Línea de partición
(molde deslizante)
3)
2)
1)
4)
FIGURA 7.4 Secuencia de formado de prensado y soplado: 1) se coloca un trozo de vidrio fundido en la cavidad del molde; 2) se presiona para formar un parison; 3) el parison formado parcialmente se transfiere sostenido del cuello por un anillo (collarín) hacia el molde
de soplado, y 4) se sopla para que adquiera su forma final. Los símbolos v y F indican movimiento (v = velocidad) y fuerza aplicada,
respectivamente. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de
John Wiley & Sons, Inc.)
producto, y una de las secuencias posibles se muestra en la figura 7.5. En ocasiones se requiere
volver a calentar entre las etapas de soplado. A veces se emplean moldes duplicados y triplicados
junto con sus respectivos alimentadores de trozos de vidrio para incrementar las tasas de producción. Los métodos de prensado y soplado, y de soplado y soplado se usan para fabricar frascos,
botellas para bebidas, cámaras con bombillas de luz incandescente y otros productos con geometrías parecidas.
Fundición Si el vidrio fundido tiene fluidez suficiente, puede vaciarse en un molde. Con este
método se fabrican objetos relativamente grandes, como lentes y espejos astronómicos. Estas
Entrada de aire
Cabezal de soplado
Segundo molde de soplado
Primer molde de soplado
Trozo
de vidrio
Línea de partición
(molde deslizante)
Anillo del cuello (collarín)
1)
2)
Entrada de aire
3)
4)
5)
FIGURA 7.5 Secuencia de formado por soplado y soplado: 1) se introduce un trozo de vidrio en la cavidad del molde invertido; 2) se
cubre el molde; 3) primera etapa del soplado; 4) la pieza formada parcialmente se reorienta y transfiere a un segundo molde de soplado, y
5) se sopla para dar la forma final. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con
autorización de John Wiley & Sons, Inc.)
7.2
Procesos de moldeo durante el trabajado del vidrio 139
Rodillos formadores
FIGURA 7.6 Laminado de vidrio plano.
(Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010.
Reimpreso con autorización de John Wiley &
Sons, Inc.)
Vidrio
fundido
v
Rodillos de
soporte
piezas deben enfriarse muy despacio para evitar esfuerzos internos y un posible agrietamiento
debido a los gradientes de temperatura que se induciría en el vidrio si no se hiciera así. Después
de enfriarse y solidificarse, la pieza debe terminarse por medio del lapeado y el pulido (véase el
capítulo 18). La fundición no es muy usada en el trabajo del vidrio, excepto para estas clases especiales de trabajos. El enfriamiento y agrietamiento no son los únicos problemas, sino que también el vidrio fundido es relativamente viscoso a las temperaturas normales de trabajo, y no fluye
tan bien como los metales fundidos o los polímeros termoplásticos calientes a través de orificios
pequeños o en secciones delgadas. Los lentes pequeños se suelen hacer por medio del prensado,
que se estudió anteriormente.
7.2.2
Moldeo de vidrio plano y tubular
Aquí se describen dos métodos para fabricar vidrio plano, y uno para producir tubos. Se trata de
procesos continuos, con los que se elaboran secciones largas de vidrio plano para ventana o tubos
de vidrio, que después se cortan al tamaño y longitudes apropiadas.
Laminado de placas planas Como se aprecia en la figura 7.6, es posible producir vidrio de
placas planas por medio de laminación. El vidrio de inicio, en la condición plástica apropiada que
tiene al salir del horno, se comprime mediante rodillos opuestos cuya separación determina el
espesor de la hoja. La operación de laminado por lo general se lleva a cabo de tal forma que
el vidrio plano se mueve directamente hacia un horno de recocido. La hoja de vidrio laminada
debe esmerilarse y pulirse después, para obtener superficies lisas y paralelas.
Este proceso fue creado a finales de la década de 1950. La ventaja que
tiene sobre otros métodos como el laminado, es que se obtienen superficies lisas que no necesitan
de un acabado subsecuente. En el proceso de flotación, que se ilustra en la figura 7.7, el vidrio
fluye directamente desde el horno de fusión a la superficie de un baño de estaño fundido. El vidrio altamente fluido se distribuye en forma homogénea sobre la superficie, lo que le da un espesor uniforme y una superficie lisa. Después de avanzar hacia una región más fría del baño, el vi-
Proceso de flotación
Zona de
enfriamiento
FIGURA 7.7 Proceso de
flotación para producir
hojas o láminas de vidrio.
(Crédito: Fundamentals of
Modern Manufacturing, 4a.
ed., de Mikell P. Groover,
2010. Reimpreso con autorización de John Wiley &
Sons, Inc.)
Zona caliente (atmósfera controlada)
Al recocido
v
Vidrio
fundido
Rodillos de soporte
Estaño fundido
140 CAPÍTULO 7 Trabajo del vidrio
FIGURA 7.8 Estirado de
tubos de vidrio con el proceso Danner. Los símbolos
v y F indican movimiento
(v = velocidad) y fuerza
aplicada, respectivamente.
(Crédito: Fundamentals of
Modern Manufacturing, 4a.
ed., de Mikell P. Groover,
2010. Reimpreso con autorización de John Wiley &
Sons, Inc.)
Flujo de vidrio fundido
Entrada
de aire
Producto tubular
Mandril
rotatorio
v, F
Rodillos de soporte
drio se endurece y se mueve hacia un horno de recocido, después se corta al tamaño que se
requiere.
Estirado de tubos de vidrio La tubería de vidrio se manufactura por un proceso de estirado
conocido como proceso Danner, que se ilustra en la figura 7.8. El vidrio fundido fluye alrededor
de un mandril hueco rotatorio por el que se sopla aire mientras el vidrio se estira. La temperatura
del aire y su velocidad de flujo volumétrico, así como la velocidad de estirado, determinan el
diámetro y espesor de la pared de la sección transversal tubular. Durante el endurecimiento,
el tubo de vidrio se apoya en una serie de rodillos que se extienden por 30 m (100 pies) más allá
del mandril. Posteriormente, el tubo continuo se corta en longitudes estándar. Los productos de
vidrio tubular incluyen cristalería para laboratorios, lámparas fluorescentes y termómetros.
7.2.3
Formado de fibras de vidrio
Las fibras de vidrio se utilizan en aplicaciones que van desde lana aislante hasta líneas de comunicación de fibra óptica. Los productos de fibra de vidrio se dividen en dos categorías [6]: 1) vidrio fibroso para aislamiento térmico, aislamiento acústico y filtración de aire, en el que las fibras
se encuentran en una condición aleatoria parecida a la de la lana, y 2) largos filamentos continuos,
apropiados para plásticos reforzados con fibras, hilos y telas, y fibras ópticas. Para ambas categorías se emplean métodos de producción distintos; a continuación se describen los dos métodos,
que representan cada categoría de productos, respectivamente.
Aspersión centrífuga En un proceso común para elaborar lana de vidrio, el vidrio fluye en
estado fundido hacia un contenedor rotatorio con muchos orificios pequeños alrededor de su
periferia. La fuerza centrífuga ocasiona que el vidrio pase a través de dichas perforaciones para
convertirse en una masa fibrosa apropiada para el aislamiento térmico y acústico.
Estirado de filamentos continuos Con este proceso, que se ilustra en la figura 7.9, se produ-
cen fibras de vidrio continuas de diámetro pequeño (el límite inferior del tamaño es alrededor de
0.0025 mm, 0.0001 pulg) mediante el estirado (jalado) en bandas de vidrio fundido a través
de cientos de orificios pequeños en una placa caliente de aleación de platino. La placa tiene varios
cientos de estos orificios, y cada uno origina una fibra. Las fibras individuales se juntan en una
banda que se enrolla en un carrete. Antes de enrollar las fibras, se recubren con diversos productos químicos para lubricarlas y protegerlas. No son raras las velocidades de estirado cercanas a
50 m/s (10 000 pies/min) o más.
7.3 Tratamiento térmico y acabado
El tratamiento térmico del producto de vidrio es la tercera etapa de la secuencia del trabajado del
vidrio. Para ciertos productos se llevan a cabo operaciones adicionales de acabado.
7.3 Tratamiento térmico y acabado 141
Vidrio fundido
Placa caliente
con orificios
v
Aspersión
Zapata colectora
FIGURA 7.9 Estirado de fibras de vidrio
continuas. (Crédito: Fundamentals of Modern
Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover,
2010. Reimpreso con autorización de John
Wiley & Sons, Inc.)
Travesaño, para
regular la agrupación
de las fibras en el carrete
Carrete colector
7.3.1 Tratamiento térmico
Una vez formados, los productos de vidrio por lo general tienen esfuerzos internos perjudiciales,
que disminuyen su resistencia. El recocido se lleva a cabo para liberar dichos esfuerzos; por tanto, durante el trabajo del vidrio el tratamiento tiene la misma función que en el del metal (véase
la sección 20.1). El recocido involucra calentar el vidrio a temperatura elevada y mantenerlo así
durante cierto periodo para eliminar los esfuerzos y gradientes de temperatura, para luego enfriarlo despacio a fin de eliminar la formación de esfuerzos, y seguir con un enfriamiento más
rápido a temperatura ambiente. Las temperaturas comunes del recocido son alrededor de 500 °C
(900 °F). El lapso que se mantiene el producto a esa temperatura, así como las velocidades de
calentamiento y enfriamiento del ciclo, dependen del espesor del vidrio; la regla habitual es que
el tiempo requerido para el recocido varía con el cuadrado del espesor.
El recocido en las fábricas modernas de vidrio se lleva a cabo en hornos parecidos a túneles,
llamados lehrs, en los que los productos fluyen lentamente a través de la cámara caliente sobre
bandas. Los quemadores se ubican sólo en el extremo frontal de la cámara, de modo que el vidrio
experimente el ciclo de calentamiento y enfriamiento que se requiere.
En los productos de vidrio es posible poner en práctica un patrón de esfuerzos internos benéfico, por medio de un tratamiento térmico que se conoce como templado, y el material que
resulta recibe el nombre de vidrio templado. Igual que en el tratamiento del acero endurecido
(véase la sección 20.2), el templado aumenta la tenacidad del vidrio. El proceso consiste en el
calentamiento del vidrio a una temperatura algo superior de la del recocido, y en el rango plástico, seguido del enfriamiento rápido de las superficies, por lo general con chorros de aire. Cuando
las superficies se enfrían, se contraen y endurecen mientras que el interior aún está en estado
plástico y es moldeable. Conforme el vidrio interno se enfría lentamente, se contrae, lo que comprime las superficies duras. Como otros cerámicos, el vidrio es mucho más resistente cuando se
somete a esfuerzos de compresión que a los de tensión. En consecuencia, el vidrio templado es
mucho más resistente a ser rayado y romperse debido a los esfuerzos de compresión sobre sus
superficies. Las aplicaciones de esto incluyen vidrios para ventanas de edificios altos, puertas
142 CAPÍTULO 7 Trabajo del vidrio
hechas por completo de vidrio, vidrios de seguridad y otros productos que requieren tenacidad en
el vidrio.
Cuando el vidrio templado falla, lo hace rompiéndose en fragmentos pequeños muy numerosos lo que hace que disminuya la probabilidad de que alguien se corte con ellos que con vidrio
convencional para ventanas (recocido). Es interesante que los parabrisas de automóviles no estén
hechos de vidrio templado, debido al peligro que entraña esa fragmentación para el conductor. En
vez de ello se utiliza vidrio convencional; sin embargo, se fabrica con dos piezas de vidrio en
medio de una hoja de polímero duro. Si se fractura este vidrio laminado, las astillas de vidrio
quedan retenidas por la hoja de polímero y el parabrisas permanece relativamente transparente.
7.3.2 Acabado
En ocasiones se requieren operaciones de acabado para los productos de vidrio. Estas operaciones secundarias incluyen el esmerilado, pulido y corte. Cuando se producen hojas o láminas de
vidrio por medio de estirado y laminado, los lados opuestos no son necesariamente paralelos, y
las superficies contienen defectos y ralladuras ocasionadas por el uso de herramientas duras sobre
el vidrio suave o blando. Las hojas de vidrio deben rectificarse y pulirse para la mayoría de aplicaciones comerciales. En las operaciones de prensado y soplado, en las que se emplean dados
deslizantes, es frecuente que sea requerido el quitar las marcas de uniones del contenedor del
producto.
En los procesos continuos del trabajado del vidrio, como la producción de placas y tubos, las
secciones continuas deben cortarse en piezas más pequeñas. Esto se lleva a cabo marcando el
vidrio con una rueda cortadora de vidrio o una rueda cortadora de diamante para después romper
la sección a lo largo de la línea de marca. El corte se hace por lo general conforme el vidrio sale
del horno lehr para recocido.
Hay procesos decorativos y superficiales que se realizan sobre ciertos productos de vidrio.
Estos procesos incluyen el corte mecánico y las operaciones de pulido: limpieza por chorro de
arena (sand blast, en inglés), ataque químico (con ácido hidrofluorídico frecuentemente en combinación con otros compuestos químicos) y recubrimiento (por ejemplo, recubrir una placa de
vidrio con aluminio o plata para producir espejos).
7.4 Consideraciones sobre el diseño del producto
El vidrio posee propiedades especiales que lo hacen deseable para ciertas aplicaciones. Las recomendaciones para el diseño que a continuación se muestran, se compilaron de Bralla [1] y otras
fuentes.
• El vidrio es transparente y tiene ciertas propiedades ópticas que son inusuales, si no es que
únicas, para los materiales de ingeniería. Para aplicaciones que requieren transparencia,
transmisión de la luz, magnificación y propiedades ópticas similares es probable que el material elegido sea el vidrio. Ciertos polímeros son transparentes y pueden ser competitivos,
lo que depende de los requerimientos de diseño.
• El vidrio es varias veces más resistente a la compresión que a la tensión: los componentes
deben diseñarse de modo que queden sujetos a fuerzas de compresión y no de tensión.
• Los cerámicos, incluyendo el vidrio, son frágiles. No deben usarse partes de vidrio en aplicaciones que involucren cargas por impacto o esfuerzos altos que podrían provocar una
fractura.
• Ciertas composiciones de vidrio tienen un coeficiente de expansión térmica muy bajo, por lo
que soportan el choque térmico. Estos vidrios se seleccionan para aplicaciones en las que
esta característica es importante.
• Los bordes y esquinas exteriores del vidrio deben tener radios o chaflanes grandes; de igual
manera, las esquinas interiores deben tener un radio de curvatura grande. Las esquinas tanto
exteriores como interiores son puntos de concentración de esfuerzos.
Preguntas de repaso 143
• A diferencia de las partes elaboradas con cerámicos tradicionales y nuevos, es posible incorporar cuerdas o roscas en el diseño de piezas de vidrio; son factibles en lo técnico con los
procesos de moldeo por prensado y soplado. Sin embargo, las cuerdas deben ser robustas.
Referencias
[1]
[2]
[3]
Bralla, J. G. (editor en jefe). Design for Manufacturability
Handbook, 2a. ed. McGraw-Hill Book Company, Nueva
York, 1998.
Flinn, R. A. y Trojan, P. K. Engineering Materials and
Their Applications, 5a. ed. John Wiley & Sons, Inc. Nueva
York, 1995.
Hlavac, J. The Technology of Glass and Ceramics. Elsevier
Scientific Publishing Company, Nueva York, 1983.
[4]
[5]
[6]
[7]
McLellan, G. y Shand, E. B. Glass Engineering Handbook,
3a. ed. McGraw-Hill Book Company, Nueva York, 1984.
McColm, I. J. Ceramic Science for Materials Technologists, Chapman and Hall, Nueva York, 1983.
Mohr, J. G. y Rowe, W. P. Fiber Glass. Krieger Publishing
Company, Nueva York, 1990.
Scholes, S. R. y Greene, C. H. Modern Glass Practice. 7a.
ed. TechBooks, Marietta, Georgia, 1993.
Preguntas de repaso
7.1. El vidrio se clasifica como un material cerámico, aunque es
distinto de los cerámicos tradicionales y nuevos. ¿Cuál es la
diferencia?
7.2. ¿Cuál es el compuesto químico predominante en casi todos
los productos de vidrio?
7.3. ¿Cuáles son las tres etapas básicas de la secuencia durante el
trabajado del vidrio?
7.4. Describa el proceso de centrifugado en el trabajado del vidrio.
7.5. ¿Cuál es la diferencia principal entre los procesos de prensado y soplado y el de soplado y soplado al trabajar el vidrio?
7.6. Existen varias maneras de moldear láminas u hojas de vidrio. Mencione y describa en forma breve una de ellas.
7.7. Describa el proceso Danner.
7.8. Mencione y describa brevemente los dos procesos para formar fibras de vidrio que son discutidos en el texto.
7.9. ¿Cuál es el propósito del recocido en el trabajado del vidrio?
7.10. Describa cómo se trata térmicamente una pieza de vidrio para producir vidrio templado.
7.11. Describa el tipo de material que es común utilizar para fabricar los parabrisas de los automóviles.
8
Procesos para dar forma
a los plásticos
CONTENIDO DEL CAPÍTULO
8.1
8.2
8.3
8.4
8.5
8.6
Propiedades de los polímeros fundidos
Extrusión
8.2.1 Proceso y equipo
8.2.2 Análisis de la extrusión
8.2.3 Configuraciones del dado y productos
extruidos
8.2.4 Defectos de la extrusión
Producción de láminas y película
Producción de fibras y filamentos (hilado)
Procesos de recubrimiento
Moldeo por inyección
8.6.1 Proceso y equipo
8.6.2 El molde
8.6.3 Contracción y defectos en el moldeo
por inyección
8.7
8.8
8.9
8.10
8.11
8.12
8.6.4 Otros procesos del moldeo por inyección
Moldeo por compresión y transferencia
8.7.1 Moldeo por compresión
8.7.2 Moldeo por transferencia
Moldeo por soplado y moldeo rotacional
8.8.1 Moldeo por soplado
8.8.2 Moldeo rotacional
Termoformado
Fundición
Procesamiento y formado de espuma de
polímero
Consideraciones sobre el diseño del producto
Los plásticos pueden conformarse en una variedad amplia de productos, como piezas moldeadas,
secciones extruidas, películas y láminas, recubrimientos para aislar alambres eléctricos y fibras
para textiles. Además, es frecuente que los plásticos sean el ingrediente principal de otros materiales, como pinturas y barnices; adhesivos, y varios compósitos de matriz de polímero. En este
capítulo se estudian las tecnologías mediante las cuales estos productos reciben su forma, y se
deja para capítulos posteriores el análisis de pinturas y barnices, adhesivos, y compósitos. Muchos procesos para darles geometría a los plásticos se adaptan a los hules y a los compósitos de
matriz polimérica (capítulo 9).
La relevancia comercial y tecnológica de estos procesos para dar geometría se deriva de la
creciente importancia de los plásticos, cuyas aplicaciones se han incrementado a una tasa mucho
más rápida que la de los metales o los cerámicos. La realidad es que muchas piezas que antes se
hacían de metales, hoy se elaboran con plásticos y compósitos de plástico. Lo mismo ha ocurrido
con el vidrio; los contenedores de plástico han sustituido ampliamente a las botellas de vidrio y
jarras en el empaque de productos. El volumen total de los polímeros (plásticos y cauchos) excede hoy día el de los metales. Es posible identificar varias razones por las que son importantes los
procesos para dar forma geométrica a los plásticos:
• La variedad de los procesos para dar forma, y la facilidad con que se procesan los polímeros,
permite una diversidad casi ilimitada de geometrías de las piezas a formar.
• Muchas piezas de plástico se forman o generan su geometría por moldeo, que es un proceso
de forma neta o total. Por lo general no se necesita una conformación adicional.
• Aunque generalmente se requiere calentamiento para formar los plásticos, se necesita menos
energía que para los metales porque las temperaturas de procesamiento son mucho menores.
• Debido a que en el procesamiento se emplean temperaturas menores, el manejo del producto
se simplifica durante la producción. Debido a que muchos métodos para procesar plástico
8.1
Propiedades de los polímeros fundidos 145
son operaciones de un solo paso (por ejemplo, moldeo), la cantidad de manejo del producto
que se requiere se reduce de manera sustancial en comparación con los metales.
• No se requiere dar a los plásticos acabados con pintura o recubrimientos (excepto en circunstancias inusuales).
Como se estudió en la sección 2.3, los dos tipos de plásticos (polímeros) son los termoplásticos y los termofijos. La diferencia está en que los termofijos pasan por un proceso de cura durante el calentamiento y la conformación o generación de geometría, lo que ocasiona un cambio
químico permanente (enlazamiento cruzado) en su estructura molecular. Una vez curados, no
pueden fundirse si se vuelven a calentar. Por el contrario, los termoplásticos no se curan, y su
estructura química permanece, en lo básico, sin cambios si se recalientan, aun cuando se transformen de sólido a fluido. De los dos tipos, los termoplásticos son, por mucho, el tipo de mayor
importancia comercial, y comprenden más de 80% del peso total de los plásticos.
Los procesos para dar forma a los plásticos se clasifican de acuerdo con la forma geométrica
del producto resultante de la manera siguiente: 1) productos extruidos continuos con sección
transversal constante distinta de las láminas, películas y filamentos; 2) láminas y películas continuas; 3) filamentos continuos (fibras); 4) piezas moldeadas que son, sobre todo, sólidas; 5) piezas
moldeadas huecas con paredes relativamente delgadas; 6) piezas específicas hechas de láminas y
películas formadas; 7) fundidos, y 8) productos espumados. En este capítulo se estudiará cada
una de estas categorías. Los procesos más importantes en el comercio son aquéllos asociados con
los termoplásticos; los dos procesos de moldeo de mayor significancia son por extrusión y por
inyección. Se comienza el estudio por medio del análisis de las propiedades de los polímeros
fundidos, porque casi todos los procesos para dar una forma geométrica a los termoplásticos
comparten la etapa común de calentar el plástico de modo que fluya.
8.1 Propiedades de los polímeros fundidos
Para dar la forma geométrica a un polímero termoplástico éste debe calentarse de modo que se
suavice hasta adquirir la consistencia de un líquido. Esta forma se denomina polímero fundido,
y tiene varias propiedades singulares; dos de ellas se estudian en esta sección: viscosidad y viscoelasticidad.
FIGURA 8.1 Relaciones de viscosidad para un fluido
newtoniano y un polímero fundido común. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons,
Inc.)
Viscosidad, η
Viscosidad Debido a su alto peso molecular, un polímero fundido es un fluido espeso con viscosidad elevada. Tal como se definió el término en la sección 3.4, la viscosidad es una propiedad
de los fluidos que relaciona la fuerza de corte que se experimenta durante el flujo del fluido a la
velocidad de corte dada. La viscosidad es importante en el procesamiento de polímeros porque
la mayoría de métodos para dar forma involucran el flujo del polímero fundido a través de canales
pequeños o aberturas del dado. Es frecuente que las velocidades de flujo sean altas, lo que genera velocidades elevadas de corte; y los esfuerzos de corte (o cortante) aumentan con la velocidad
de corte, por lo que se requieren presiones significativas para efectuar los procesos.
En la figura 8.1 se muestra la viscosidad como función de la velocidad de corte para dos tipos
de fluidos. Para un fluido newtoniano (que incluye la mayor parte de fluidos simples, como agua
Fluido seudoplástico
Fluido newtoniano
.
Velocidad de corte γ
SectionSection
8.1/Properties
of Polymer
Melts Melts
151
Section
8.1/Properties
8.1/Properties
of
ofPolymer
Polymer
Melts
146 CAPÍTULO 8 Procesos para dar forma a los plásticos
151
151
constant
at a la
given
it does
not
change
with
rate.
The
constant
at
at aatemperature;
given
givenestemperature;
temperature;
itit
does
does
not
not change
change
with
with
shear
shear
rate.
rate.
The
The relationship
relationship
y constant
aceite)
viscosidad
constante
a una
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dada;shear
no
cambia
con
larelationship
velocidad
de corte.
between
shear
stress
and
shear
strain
is
proportional,
with
viscosity
as
the
constant
of
between
between
shear
shear
stress
stress
and
and
shear
shear
strain
strain
is
is
proportional,
proportional,
with
with
viscosity
viscosity
as
as
the
the
constant
of
of
La relación entre el esfuerzo de corte y la deformación de corte es proporcional, con laconstant
viscosidad
proportionality:
proportionality:
proportionality:
como constante de proporcionalidad:
t
tt
t ¼ hg_ tt¼
or
(8.1) (8.1)
or
(8.1)
¼hhg_g_h ¼
oor hh¼¼ (8.1)
g_
g_g_
2
2
222 2
2coefficient
2);
h ¼22);
of shear
Ns/m
,Ns/m
orNs/m
Pa-s
wheredonde
twhere
¼ τshear
Pa
(lb/in
);
hhη¼¼
coefficient
of
ofviscosity,
shear
shear viscosity,
viscosity,
Ns/m
, , or
or
Pa-s
where
ttesfuerzo
¼¼stress,
shear
stress,
Pa
shearde
stress,
Pa);(lb/in
(lb/in
=
corte,
Pa
(lb/pulg
=coefficient
coeficiente
de
viscosidad
de corte,
, oPa-s
Pas
2
2
2
2g
2); );
_ and
); and
¼
shear
1/s
(1/sec).
However,
for apara
polymer
melt,fundido,
viscosity
(lb-sec/in
(lb-s/pulg
=
velocidad
de corte,
1/s
(1/s).
Sin embargo,
unapolímero
laviscosity
visco);
and
g_g_ ¼¼rate,
shear
shear
rate,
rate,
1/s
1/s
(1/sec).
(1/sec).
However,
However,
for
for
a polymer
polymer
melt,
melt, viscosity
(lb-sec/in
(lb-sec/in
decreases
with
shear
indicating
that the
fluid
becomes
thinner
at
higher
rates
ofrates
sidad
decrece
con rate,
la
velocidad
de
corte,
lothat
que
indica
quebecomes
el
fluido se
vuelve
más
delgado
a vedecreases
decreases
with
with
shear
shear
rate,
rate, indicating
indicating
that
the
the
fluid
fluid
becomes
thinner
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at
at higher
higher
rates
of
of
shear.locidades
This
behavior
is
called
pseudoplasticity
and
can
be
modeled
to
a
reasonable
más behavior
altas
de corte.
Este comportamiento
seand
llama
seudoplasticidad,
modela la
shear.
shear. This
This
behavior
isis called
called
pseudoplasticity
pseudoplasticity
and
can
can
be
be modeled
modeled to
toyalo
a reasonable
reasonable
approximation
by the by
expression
expresión
siguiente
con
una
aproximación razonable:
approximation
approximation
by
the
the
expression
expression
n
_tt¼
t ¼ kðgÞ
(8.2) (8.2)
_gÞ
_ nnn (8.2)
¼kð
kðgÞ
(8.2)
wheredonde
kwhere
¼ ak constant
corresponding
to the
viscosity
coefficient
and yn n¼
where
kk¼
¼aaconstant
constant
corresponding
to
tothe
theviscosity
viscosity
coefficient
coefficient
and
and
nn¼behavior
¼flow
flow
behavior
behavior
=
constante
que corresponding
corresponde
al coeficiente
de viscosidad,
=flow
índice
de comportaindex.miento
For
n del
¼For
1,flujo.
the
equation
reduces
to
the
previous
Eq.
(8.1)
for
a
Newtonian
fluid,
and
index.
index.
For
nn¼¼
1,
1,
the
the
equation
equation
reduces
reduces
to
to
the
the
previous
previous
Eq.
Eq.
(8.1)
(8.1)
for
for
a
a
Newtonian
Newtonian
fluid,
fluid,
and
Para n = 1, la ecuación se reduce a la (8.1) para un fluido newtoniano, y la kand
se
k becomes
h.
For
a
polymer
melt,
values
of
n
are
less
than
1.
k
k
becomes
becomes
h.
h.
For
For
a
a
polymer
polymer
melt,
melt,
values
values
of
of
n
n
are
are
less
less
than
than
1.
1.
convierte en η. Para un polímero fundido, los valores de n son menores que 1.
In addition
to
effect
shear
rate
(fluid
flow
rate),
of
polymer
melt
is melt
In
Inaddition
addition
to
tothe
the
effect
effect
of
of
shear
shear
rate
rate
(fluid
(fluid
flow
flowviscosity
rate),
rate),
viscosity
viscosity
of
ofaapolymer
melt
isis
Además
delthe
efecto
de of
la
velocidad
de
corte
(velocidad
de
flujo
delafluido),
lapolymer
viscosidad
de
also affected
by
temperature.
Like
most
fluids,
the
value
decreases
with
increasing
also
also
affected
affected
by
by
temperature.
temperature.
Like
Like
most
most
fluids,
fluids,
the
the
value
value
decreases
decreases
with
with
increasing
increasing
un polímero fundido también se ve afectada por la temperatura. Como ocurre con la mayoría
temperature.
This iselThis
shown
in
Figure
8.2
for
several
common
polymers
at ase
shear
temperature.
This
shown
shown
in
inFigure
Figure
8.2
8.2for
forseveral
several
common
common
polymers
polymers
at
ataarate
shear
shear
rate
of
of
detemperature.
los fluidos,
valorisisdisminuye
con
el aumento
de la temperatura.
Esto
ilustra
enof
larate
figura
333 –1
–1
–1 is approximately the same as the rates encountered in injection
3
–1
,
which
molding
103 s–1
s
s
,
,
which
which
is
is
approximately
approximately
the
the
same
same
as
as
the
the
rates
rates
encountered
encountered
in
in
injection
injection
molding
molding
10
10
8.2 para varios polímeros comunes a la misma velocidad de corte de 10 s , que es aproximadaand high-speed
extrusion.
Thus, encontradas
we
seewe
that
the
viscosity
ofinyección
a polymer
decreases
and
andhigh-speed
high-speed
extrusion.
extrusion.
Thus,
Thus,
we
see
see
that
the
theviscosity
viscosity
of
ofaaypolymer
polymer
melt
meltdecreases
decreases
mente
igual
a las velocidades
en
elthat
moldeo
por
enmelt
operaciones
de extruwith increasing
values
of
shear
rate
and
temperature.
Eq.
(8.2)
could
be
applied,
except
with
with
increasing
increasing
values
values
of
of
shear
shear
rate
rate
and
and
temperature.
temperature.
Eq.
Eq.
(8.2)
(8.2)
could
could
be
be
applied,
applied,
except
except
sión de alta velocidad. Así, se observa que la viscosidad de un polímero fundido disminuye
con
that kvalores
depends
on
temperature
as
shown
in
Figure
8.2.
that
thatkkcrecientes
depends
dependsde
on
onvelocidad
temperature
temperature
as
asshown
in
inFigure
Figure8.2.
8.2. aplicarse la ecuación (8.2), exde corte
yshown
de temperatura.
Puede
cepto que k depende de la temperatura, como se muestra en la figura 8.2.
Viscoelasticity
The second
property
of interest
here ishere
viscoelasticity.
We discussed
Viscoelasticity
Viscoelasticity
The
Thesecond
second
property
property
of
ofinterest
interest
here
isisviscoelasticity.
viscoelasticity.
We
Wediscussed
discussed
Viscoelasticidad La segunda propiedad de interés aquí es la viscoelasticidad. Esta propiedad
this property
in
the
context
of
solid
polymers
in
Section
3.5.
However,
polymer
melts melts
this
thisproperty
propertyin
inthe
thecontext
contextof
ofsolid
solidpolymers
polymersin
inSection
Section3.5.
3.5.However,
However,polymer
polymer
melts
se estudió en el contexto de polímeros sólidos, en la sección 3.5. Sin embargo, también la tienen
exhibitexhibit
it
also. itA
goodA
example
is die swell
inswell
extrusion,
in which
hotthe
plastic
expands
exhibit
italso.
also.
A
good
goodexample
example
isisdie
die
swell
in
inextrusion,
extrusion,
in
inthe
which
which
the
hot
hotplastic
plasticexpands
expands
los polímeros líquidos. Un buen ejemplo es la dilatación del dado en la extrusión, en que el pláswhen exiting
the diethe
opening.
The phenomenon,
illustrated
in Figure
8.3, can
becan
when
when exiting
exiting
the
die
die opening.
opening.
The
The phenomenon,
phenomenon,
illustrated
illustrated
in
in Figure
Figure
8.3,
8.3,
can be
be
tico caliente se expande conforme sale de la abertura del dado. El fenómeno, que se ilustra en la
explained
by
noting
that
the
polymer
was
contained
in
a
much
larger
cross
section
explained
explained by
by noting
noting that
that the
the polymer
polymer was
was contained
contained in
in aa much
much larger
larger cross
cross section
section
figura 8.3, se explica si se observa que el polímero estaba contenido en una sección transversal
before before
entering
the narrow
die channel.
In effect,
extruded
material
‘‘remembers’’
its
beforeentering
entering
the
thenarrow
narrow
die
diechannel.
channel.
In
Inthe
effect,
effect,
the
theextruded
extruded
material
material
‘‘remembers’’
‘‘remembers’’
its
its
mucho más grande antes de ingresar al estrecho canal del dado. En efecto, el material extruido
formerformer
shape and
attempts
to return
to
it after
the diethe
orifice.
More
former
shape
shape
and
andattempts
attempts
to
toreturn
return
to
toitleaving
itafter
afterleaving
leaving
the
die
dieorifice.
orifice.technically,
More
Moretechnically,
technically,
“recuerda” su forma y trata de regresar a ella después de dejar el orificio del dado. En palabras
más técnicas, los esfuerzos de compresión que actúan sobre el material conforme ingresa a la
rización de John Wiley &
Sons, Inc.)
103
102
10
Acrílico
100
Viscosidad, lb-s/pulg2
FIGUREFIGURE
8.2 Viscosity
FIGURE
8.2
8.2 Viscosity
Viscosity
as a function
of
as
asaafunction
function
of
of
temperatures
for
temperatures
temperatures
for
for
FIGURA 8.2 La viscosiselected
polymers
at a at
selected
selected
polymers
polymers
ataa
dad como 3función
las
–1
3de
33 –1
–1
–1
shear rate
of rate
10
sof
.10
Data
shear
shear
rate
of
10
s
s
. .Data
Data
temperaturas para polímecompiled
from [12].
compiled
compiled
from
from[12].
ros
seleccionados
a[12].
una
(Credit:velocidad
Fundamentals
(Credit:
(Credit:
Fundamentals
Fundamentals
de
corte of
de 103s–1of
.of
ModernDatos
Manufacturing,
Modern
Modern
Manufacturing,
Manufacturing,
recopilados de [12].
thby Mikell P.
4th Edition
44thth
Edition
Edition
by
byMikell
MikellP.P.
(Crédito:
Fundamentals
of
Groover,
2010.Manufacturing,
Reprinted
Groover,
Groover,
2010.
2010.Reprinted
Reprinted
Modern
4a.
with permission
of John
with
with
permission
of
ofJohn
John
ed.,
depermission
Mikell
P. Groover,
Wiley &2010.
Sons,
Inc.)
Wiley
Wiley
&&
Sons,
Sons,Inc.)
Inc.)
Reimpreso
con auto-
Viscosidad, Ns/m2 o Pas
104
10–1
10–2
300
150
Polipropileno
Nylon
Polietileno de
baja densidad
350
400
450
550
Temperatura, °F
200
250
Temperatura, °C
550
300
600
152
8.2 Extrusión 147
Chapter 8/Shaping Processes for Plastics
FIGURA 8.3 Expansión
FIGURE 8.3 Die swell, a
del dado, una manifestación
manifestation of
de la viscoelasticidad en
viscoelasticity
in polymer
polímeros
fundidos,
como
melts,
as
depicted
se aprecia aquí al salirhere
de unon
exiting
an
extrusion
die.
dado de extrusión. (Crédito:
(Credit:
Fundamentals
Fundamentals of Modern of
Flujo del polímero
Modern Manufacturing,
Manufacturing,
4a. ed., de
th
4 Edition
by Mikell
Mikell
P. Groover,
2010.P.
Groover, 2010.
Reprinted
Reimpreso
con autorización
de
John
Wiley & Sons,
Inc.)
with
permission
of John
Dado
Extruido
v
Dd
Dx
Wiley & Sons, Inc.)
the compressive
on de
theinmediato.
material as
it enters
the small
die openingsale
do del
not
abertura
pequeña delstresses
dado noacting
se relajan
Cuando
el material
posteriormente
relax
immediately.
When
the
material
subsequently
exits
the
orifice
and
the
restriction
orificio y la restricción es eliminada, los esfuerzos no relajados provocan que la sección transver-is
the unrelaxed stresses cause the cross section to expand.
salremoved,
se expanda.
Die
swelldel
can
be most
easily
measured
for apara
circular
cross section
by means
ofpor
the
La dilatación
dado
se mide
con mayor
facilidad
una sección
transversal
circular,
swell
ratio,
defined
as
medio de la razón de dilatación, que se define como
rs ¼
Dx
Dd
(8.3)
(8.3)
donde
rs =
de ratio;
expansión;
de extruded
la sección cross
transversal
extruida,
mmand
(pulg),
¼ swell
Dx ¼Ddiameter
of the
section,
mm (in);
Dd y¼
where
rs razón
x = diámetro
Dddiameter
= diámetro
del dado,
La cantidad
de swell
dilatación
del dado
depende
of del
the orificio
die orifice,
mm mm
(in).(pulg).
The amount
of die
depends
on the
time del
the
tiempo
que el
polímero
pasachannel.
en el canal
del dado.the
Al incrementarse
el tiempo
el canal,
polymer
melt
spendsfundido
in the die
Increasing
time in the channel,
byen
means
of a
porlonger
mediochannel,
de uno dereduces
mayor longitud,
se reduce la expansión del dado.
die swell.
8.2
8.2 Extrusión
EXTRUSION
La extrusión es uno de los procesos fundamentales para dar la forma geométrica a los metales y
Extrusion is one of the fundamental shaping processes, for metals and ceramics as well as
los cerámicos, así como a los polímeros. La extrusión es un proceso de compresión en donde el
polymers. Extrusion is a compression process in which material is forced to flow through
material es forzado a fluir a través de un orificio practicado en un dado a fin de obtener un proa die orifice to provide long continuous product whose cross-sectional shape is deterducto largo y continuo, cuya sección transversal adquiere la forma determinada por la del orifimined by the shape of the orifice. As a polymer-shaping process, it is widely used for
cio. Como proceso para dar forma a polímeros, se emplea mucho para termoplásticos y elastómethermoplastics and elastomers (but rarely for thermosets) to mass-produce items such as
ros (rara vez para termofijos) para producir en masa artículos como tuberías, ductos, mangueras
tubing, pipes, hose, structural shapes (such as window and door molding), sheet and film,
y formas estructurales (como molduras para ventanas y puertas), láminas y películas, filamentos
continuous filaments, and coated electrical wire and cable. For these types of products,
continuos, y recubrimientos para alambres y cables eléctricos. Para estos tipos de productos, la
extrusion is carried out as a continuous process; the extrudate (extruded product) is
extrusión se lleva a cabo como proceso continuo; el extruido (producto extruido) se corta después
subsequently cut into desired lengths. This section covers the basic extrusion process, and
con las longitudes deseadas. En esta sección se estudia el proceso básico de extrusión, y en varias
the following three sections examine processes based on extrusion.
de las posteriores se examinan procesos que se basan en ésta.
8.2.1
Proceso AND
y equipo
8.2.1 PROCESS
EQUIPMENT
EnInlapolymer
extrusiónextrusion,
de polímeros
se alimenta
material
en forma
de is
partículas
en inglés)
o
feedstock
in pellet
or powder
form
fed into(pellets
an extrusion
barrel
polvo
hacia
dentro
de un
cilindro
extrusión
donde se by
calienta
y funwhere
it is
heated
and
melteddeand
forced(también
to flow llamado
throughbarril),
a die opening
means
of a
derotating
y se le fuerza
que fluya ain
través
de la
abertura
de main
un dado
por medio of
de the
un tornillo
girascrew,para
as illustrated
Figure
8.4.
The two
components
extruder
are
torio
como
ilustraThe
en ladie
figura
8.4.aLos
dos componentes
principales
the(gusano),
barrel and
thesescrew.
is not
component
of the extruder;
it del
is aextrusor
special son
tool
el that
cilindro
y el
El dado
no esparticular
un componente
es una herramienta especial
must
betornillo.
fabricated
for the
profiledel
to extrusor;
be produced.
que debeThe
fabricarse
para
el perfil particular
que se va
a producir.
internal
diameter
of the extruder
barrel
typically ranges from 25 to 150 mm
Esto
común
que
el diámetro
interno
del cilindro
del extrusor
varíe
entre
25 yusually
150 mm
(1.0 a
(1.0
6.0 in).
The
barrel is long
relative
to its diameter,
with
L/D
ratios
between
6.010pulg).
El cilindro
largoisenreduced
relaciónincon
su diámetro,
con razones
L/D que,
por
lo general,
and 30.
The L/Desratio
Figure
8.4 for clarity
of drawing.
The
higher
ratios
están entre 10 y 30. Para mayor claridad del dibujo, en la figura 8.4 está reducida la razón L/D.
Las razones más altas se emplean para materiales termoplásticos, en tanto que los valores L/D
148 CAPÍTULO 8 Procesos para dar forma a los plásticos
Tolva
Partículas de
plástico (pellets)
Calentadores
Polímero fundido
Tornillo
Placa rompedora
Cilindro
Dado
Extruido
v
Sección de
alimentación
Sección de
compresión
Sección de
dosificadora
FIGURA 8.4 Componentes y características de un extrusor (de un solo tornillo) para plásticos y elastómeros. (Crédito: Fundamentals
of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)
más bajos son para los elastómeros. En el extremo del cilindro opuesto al dado se localiza una
tolva que contiene el material que se alimenta. Las partículas se alimentan por gravedad al tornillo giratorio, cuya rosca mueve al material a lo largo del cilindro. Se utilizan calentadores eléctricos para fundir al inicio las partículas (pellets) sólidas; después, la mezcla y el trabajo mecánico
del material generarán calor adicional, lo que mantiene fundido al material. En ciertos casos, el
calor suministrado a través de la mezcla y acción cortante es suficiente de modo que no se requiere un calentamiento externo. En realidad, en ciertos casos el cilindro debe enfriarse desde el exterior para impedir el sobrecalentamiento del polímero.
El material se hace avanzar a lo largo del cilindro hacia la abertura del dado, por medio de la
acción del tornillo extrusor, que gira a unas 60 rev/min. El tornillo tiene varias funciones y se
divide en secciones que son: 1) sección de alimentación, en la que el material se mueve de la
entrada de la tolva y recibe precalentamiento; 2) sección de compresión, en la que el polímero se
transforma para adquirir consistencia líquida, se extrae del fundido el aire atrapado entre las partículas y se comprime al material, y 3) sección de dosificación, en la que se homogeniza al fundido y se genera presión suficiente para bombearlo a través de la abertura del dado.
La operación del tornillo está determinada por su forma geométrica y velocidad de rotación.
En la figura 8.5 se ilustra la forma común de un tornillo extrusor. El tornillo consiste en “paletas”
(hélices o cuerdas) en forma de espiral, con canales entre ellas por los que avanza el polímero
Cilindro
Tornillo
Paso p
Dirección de flujo del
material fundido
A
D
FIGURA 8.5 Detalles de
un tornillo extrusor dentro
del cilindro. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de
Mikell P. Groover, 2010.
Reimpreso con autorización
de John Wiley & Sons, Inc.)
dc
Canal
wc
wf
Paleta o hélice
154
Chapter 8/Shaping Processes for Plastics
8.2 Extrusión 149
‘‘flights’’ (threads) with channels between them through which the polymer melt is
and depth ddc..As
the screw rotates, the flights push the
moved.El
The
channel
hasancho
a width
fundido.
canal
tiene un
wc w
y cprofundidad
c Conforme gira el tornillo, las cuerdas emmaterial
forward
through
the
channel
from
the
hopper
enddeoflathe
barrel
toward the
die.
pujan al material hacia delante a través del canal, del extremo
tolva
del cilindro
al dado.
Although
not
discernible
in
the
diagram,
the
flight
diameter
is
smaller
than
the
barrel
Aunque en el diagrama no se distingue, el diámetro de la hélice o paleta es menor que el del cidiameter
D by
verymuy
small
clearance—around
0.05 mm
mm (0.002
(0.002 pulg).
in). ItsSufunction
limit
lindro,
D, por
un aclaro
pequeño,
alrededor de 0.05
funciónisestolimitar
and
leakage
of
the
melt
backward
to
the
trailing
channel.
The
flight
land
has
a
width
w
f
la fuga del fundido hacia atrás a través del canal conductor. La paleta o hélice tiene un ancho
wisf
made
of
hardened
steel
to
resist
wear
as
it
turns
and
rubs
against
the
inside
of
the
barrel.
y está hecha de acero endurecido a fin de que resista el uso cuando gira y presiona contra el inteThedel
screw
has aElpitch
whose
is usually
closepor
to the
diameter
D. Thealflight
angle AD.
is
rior
cilindro.
tornillo
tienevalue
un paso
cuyo valor,
lo general,
se acerca
del diámetro
helixdeangle
of the
can be
the relation
Elthe
ángulo
la paleta,
A, screw
es el deand
la hélice
deldetermined
tornillo, y sefrom
determina
con la relación
tan A ¼
p
pD
(8.4)
(8.4)
1
1
wherep =
p¼
pitch
the screw.
donde
paso
del of
tornillo.
The increase
appliedaltopolímero
the polymer
melt
in the
sections
of the
El incremento
de in
la pressure
presión aplicada
fundido
en las
tres three
secciones
del cilindro
.
In
Figure
8.4,
d
is
relatively
large
in
barrel
is
determined
largely
by
the
channel
depth
d
c
c
está determinado en gran parte por la profundidad del canal,
dc. En la figura
8.4, dc es relativathe
feed
section
to
allow
large
amounts
of
granular
polymer
to
be
admitted
into
the
mente grande en la sección de alimentación para permitir la entrada de cantidades importantes de
gradually dreduced,
thus applying increased
barrel. In
the compression
dcdeis compresión
polímero
granular
al cilindro. Ensection,
la sección
c se reduce en forma gradual, con lo
is smalldeand
pressure
pressure
on
the
polymer
as
it
melts.
In
the
metering
section,
que se aplica presión mayor sobre el polímero conforme se funde. En dlac sección
medición,
dc
reaches
a
maximum
as
flow
is
restrained
at
the
die
end
of
the
barrel.
The
three
sections
of
se reduce y la presión alcanza un máximo cuando se restringe el flujo en el extremo del dado del
the screw
as being
aboutseequal
in length
in Figure
8.4; si
this
is appropriate
for a
cilindro.
Lasare
tresshown
secciones
del tornillo
ilustran
en la figura
8.4 como
tuvieran
longitud igual;
polymer
that
melts
gradually,
such
as
low-density
polyethylene
(LDPE).
For
other
esto es apropiado para un polímero que se funde gradualmente, como un polietileno de baja denpolymers,
lengthsPara
areotros
different.
For las
crystalline
polymers
such
as
sidad
(LDPE,the
Lowoptimal
Densitysection
PolyEthylene).
polímeros,
longitudes
óptimas son
difenylon,
melting
occurs
rather
abruptly
at
a
specific
melting
point,
and
therefore
a
short
rentes. Para polímeros cristalinos como el nylon, la fusión ocurre en forma abrupta en su punto
compression
section
is ello
appropriate.
Amorphous
polymers
such as
específico
de fusión,
y por
es apropiado
que la sección
de compresión
seapolyvinylchloride
corta. Los políme(PVC)
melt
more
slowly
than
LDPE,
and
the
compression
zone
for
these
materials
must
ros amorfos como el cloruro de polivinilo (PVC, Poly Vinyl Chloride), se funden
con mayor
take almost
entire
of compresión
the screw. Although
optimal debe
screwcubrir
design
fortoda
each
lentitud
que elthe
LDPE,
y lalength
zona de
para dichosthe
materiales
casi
la
materialdeltype
is different,
it diseño
is common
to use
general-purpose
screws.
These
longitud
tornillo.
Aunque el
óptimopractice
del tornillo
es distinto
para cada tipo
de material,
a compromise
thegeneral.
different
materials,
they avoid
need
esdesigns
prácticarepresent
común usar
tornillos de among
propósito
Estos
diseños and
representan
unathe
solución
to make frequent
screw changes,
which
result lainnecesidad
costly equipment
downtime.
intermedia
entre los diferentes
materiales,
y evitan
de hacer cambios
frecuentes de
of the polymer
along costosa
the barrel
leads ultimately
tornillo,Progress
lo que resultaría
en una pérdida
del tiempo
del equipo.to the die zone. Before
reaching
thedel
die,
the melt
passes
a hace
screen
pack—a
series
of wire
meshes
El avance
polímero
a lo largo
delthrough
cilindro lo
llegar
en última
instancia
a la zona
del
supported
byllegar
a stiff
plateel(called
breaker
plate)
containing
small una
axial
holes.
The
dado.
Antes de
al dado,
fundidoapasa
a través
del paquete
de filtrado,
serie
de mallas
oscreen
cribas pack
de alambre
sostenidas
portouna
(llamada and
placa
rompedora)
quethe
contiene
assembly
functions
(1)placa
filterrígida
contaminants
hard
lumps from
melt;
orificios
axiales
pequeños.
paquetesection;
de filtrado
1) filtrar
contaminantes
y grumos
(2) build
pressure
in the El
metering
andsirve
(3) para
straighten
thelos
flow
of the polymer
melt
duros
del fundido;
2) generar presión
en la sección
deimposed
medición,byy the
3) forzar
flujolast
del function
polímero
and remove
its ‘‘memory’’
of the circular
motion
screw.alThis
fundido
y borrar
de the
su “memoria”
el movimiento
circularifimpuesto
elleft
tornillo.
Esta última
is concerned
with
polymer’s viscoelastic
property;
the flow por
were
unstraightened,
función
tiene que
ver con
propiedad
viscoelástica
delinside
polímero;
el flujo no
se enderezara,
el
the polymer
would
playlaback
its history
of turning
the si
extrusion
chamber,
tending
polímero
su historia
de girar dentro de la cámara de extrusión, y tendería a girar y disto twist repetiría
and distort
the extrudate.
torsionar el extruido.
8.2.2
OFla
EXTRUSION
8.2.2 ANALYSIS
Análisis de
extrusión
In this section, we develop mathematical models to describe, in a simplified way, several
En esta sección se desarrollan modelos matemáticos para describir, en forma simplificada, varios
aspects of polymer extrusion.
aspectos de la extrusión de polímeros.
Flujo
el extrusor
el tornillo
girainside
dentrothe
del barrel,
cilindro,the
el polímero
Meltfundido
Flow inenthe
Extruder Conforme
As the screw
rotates
polymer fundido
melt is
seforced
ve forzado
a moverse
delante,
en dirección
deloperates
dado; el sistema
opera
forma muy
to move
forwardhacia
toward
the die;
the system
much like
an en
Archimedian
parecida
a
un
tornillo
de
Arquímedes.
El
mecanismo
principal
de
transporte
es
el
flujo
arrasscrew. The principal transport mechanism is drag flow, resulting from frictionpor
between
tre,
que
resulta
de
la
fricción
entre
el
líquido
viscoso
y
las
dos
superficies
opuestas
que
se
mueven
the viscous liquid and two opposing surfaces moving relative to each other: (1) the
una respecto de la otra; 1) el cilindro estacionario y 2) el canal del tornillo giratorio. El arreglo se
asemeja
al movimiento de fluido que ocurre entre una placa estacionaria y una móvil, a las que
1
Unfortunately, p is the natural symbol to use for two variables in this chapter. It represents the screw
pitch here and in several other chapters. We use the same symbol p for pressure later in the chapter.
1 Desafortunadamente, p es el símbolo natural que se usa en este capítulo para dos variables. Representa el paso del tornillo, aquí y en otros capítulos. Más adelante, en este capítulo, se usa el mismo símbolo, p, para la presión.
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155
Section 8.2/Extrusion
155
Section 8.2/Extrusion
155
150 CAPÍTULO 8 Procesos para dar forma a los plásticos
Section 8.2/Extrusion
155
Section
8.2/Extrusion
155
stationary barrel and (2) the channel of the turning screw. The arrangement can be
Section
8.2/Extrusion
155
likened
to barrel
the fluid
occurs between
a stationary
plate
and a movingcan
plate
Section
8.2/Extrusion
155
stationary
andflow
(2) that
the channel
of the turning
screw.
The
arrangement
be
Section
8.2/Extrusion
155
Section
8.2/Extrusion
155
stationary
barrel
and
(2)
the
channel
of
the
turning
screw.
The
arrangement
can
be
separa
un
líquido
viscoso,
como
se
ilustra
en
la
figura
3.17.
Dado
que
la
placa
móvil
tiene
una
separated
bythe
a viscous
liquid,
as
illustrated
in Figure
3.17.
Given
that
the moving
plate
has
likened tobarrel
fluid
that
occurs
between
a stationary
plate
and
a moving
stationary
and flow
(2)
the
channel
of
the
turning
screw.
The
arrangement
canplate
be
the
fluid
flow
that
occurs
between
avelocity
stationary
plate
and
a moving
plate
velocidad
v,tose
puede
pensar
que
la
velocidad
promedio
del
fluido
v/2,
lo
que
da
por resultado
alikened
velocity
v,
ita fluid
can
be
reasoned
that
the
average
of es
the
fluid
is v/2,
resulting
a
separated
by
viscous
liquid,
asoccurs
illustrated
inthe
Figure
3.17.
Given
that
the
plate
has
stationary
barrel
and
(2)
the
channel
of
the
turning
screw.
The
arrangement
canin
be
likened
to
the
flow
that
between
aturning
stationary
plate
and
amoving
moving
plate
stationary
barrel
and
(2)
the
channel
of
screw.
The
arrangement
can
be
stationary
barrel
and
(2)
the
channel
of
the
turning
screw.
The
arrangement
can
be
barrel
and
(2)
the
channel
of
the
turning
screw.
The
arrangement
can
be
separated
by
a
viscous
liquid,
as
illustrated
in
Figure
3.17.
Given
that
the
moving
plate
has
lastationary
velocidad
de
flujo
volumétrico
de
volume
flow
rate
of
a
velocity
v,
it
can
be
reasoned
that
the
average
velocity
of
the
fluid
is
v/2,
resulting
in
a
likened
to
the
fluid
flow
that
occurs
between
a
stationary
plate
and
a
moving
plate
separated
by
a
viscous
liquid,
as
illustrated
in
Figure
3.17.
Given
that
the
moving
plate
has
likened
to
the
fluid
flow
that
occurs
between
a
stationary
plate
and
a
moving
plate
likened
fluidbe
flow
that occurs
occurs
between
stationary
plate
and
moving
plate
likened
toto the
flow
that
between
stationary
plate
and
aa moving
plate
a velocity
v,the
it fluid
can
reasoned
that the
averageaavelocity
of the
fluid
is v/2,
resulting
in a
volume
flow
of reasoned
separated
by
aviscous
viscous
liquid,
as
illustrated
in
Figure
3.17.
Given
that
the
moving
plate
has
aseparated
velocity
v,by
itarate
can
be
that
the
average
velocity
of
the
fluid
is
v/2,
resulting
in
a
separated
by
a
viscous
liquid,
as
illustrated
in
Figure
3.17.
Given
that
the
moving
plate
has
liquid,asasillustrated
illustratedininFigure
Figure3.17.
3.17.Given
Giventhat
thatthe
themoving
movingplate
platehas
has
separated
by a viscous
volume flow
rate of liquid,
(8.5)
¼ 0:5vdw
Qd average
avelocity
velocity
v,rate
itcan
can
bereasoned
reasonedthat
thatthe
the
velocity
ofthe
thefluid
fluidisisisv/2,
v/2,resulting
resulting(8.5)
inaaa
volume
flow
ofbe
a
velocity
v,
it
can
be
reasoned
that
the
average
velocity
of
the
fluid
v/2,
resulting
in
a
v,
it
average
velocity
of
in
a velocity v, it can be reasoned that theQaverage
velocity of the fluid is v/2, resulting in
a
¼
0:5vdw
(8.5)
d
volume
flow
rate
of
volumeflow
flowrate
rateofof
of
volume
flow
rate
3 d ¼ 0:5vdw
3
Q
(8.5)
3/s (pulg3/s); v = velocidad de
volume
donde
QdQ=
la
velocidad
de
flujo
volumétrico
por
arrastre,
m
la
¼
volume
drag
flow
rate,
m
/s
(in
/sec.);
v
¼
velocity
of
the
moving
plate,
m/s
where
Qd ¼ 0:5vdw
(8.5)
d
3 separa
3 las dos placas, m (pulg), y w = el ancho de
placa
móvil,
m/s
(pulg/s);
d
=
distancia
que
(in/sec.);
d
¼
distance
separating
the
two
plates,
m
(in);
and
w
¼
the
width
of
the
plates
/sdd¼
(in
/sec.); v ¼ velocity of the moving plate,(8.5)
m/s
where Qd ¼ volume drag flow rate, mQQ
¼0:5vdw
0:5vdw
(8.5)
¼
(8.5)
3Q
30:5vdw
d¼(in
Q
0:5vdw
(8.5)
drag
flow rate,de
m
v(pulg).
¼ velocity
of
the
moving with
plate,
m/s
where
Qd ¼ volume
3la
3 /sec.);
d/s
las
placas
a separating
la flow
dirección
velocidad,
m
Estos
parámetros
comparan
perpendicular
to velocity
direction,
m
(in).
These
can
compared
those
(in/sec.);
d¼
distance
two
m
and
wof
¼be
the
width se
ofplate,
the plates
¼
volume
drag
rate,the
m
/s
(inplates,
/sec.);parameters
v (in);
¼ velocity
the
moving
m/s
where
Qdperpendicular
(in/sec.);
den
¼eldistance
separating
the
two
m (in);rotatorio
andthe
w stationary
¼lathe
width
of the
plates
3 plates,
3extrusion
con
aquéllos
canal
definidos
por
el
tornillo
de
extrusión
superficie
cilindro
3(in).
333/sec.);
in
the Q
channel
defined
bydirection,
the
rotating
and
barrel
surface.
perpendicular
to
velocity
m
These
parameters
bethe
compared
with
those
¼volume
volume
drag
flow
rate,
/splates,
(in
/sec.);
v¼¼
¼velocity
velocity
of
the
moving
plate,
m/s
where
Q
(in/sec.);
dddd¼
¼¼
distance
separating
the
two
mscrew
(in);
and
wcan
¼yof
the
width
of del
the
plates
volume
drag
flow
rate,
m
/s
(in
v¼
velocity
of
the
moving
plate,
m/s
where
Q
3m
3
drag
flow
rate,
m
/s
(in
/sec.);
v
moving
plate,
m/s
where
¼
volume
drag
flow
rate,
m
/s
(in
/sec.);
v
velocity
of
the
moving
plate,
m/s
where
Q
perpendicular
to
velocity
direction,
m
(in).
These
parameters
can
be
compared
with
those
d
estacionario.
in
the
channel
defined
by
the
rotating
extrusion
screw
and
the
stationary
barrel
surface.
(in/sec.);
d
¼
distance
separating
the
two
plates,
m
(in);
and
w
¼
the
width
of
the
plates
perpendicular
to
velocity
direction,
m
(in).
These
parameters
can
be
compared
with
those
(in/sec.);
d
¼
distance
separating
the
two
plates,
m
(in);
and
w
¼
the
width
of
the
plates
(in/sec.);
distance
separating
thetwo
two
plates,mm
(in);and
andthe
thewidth
widthbarrel
thesurface.
plates
(in/sec.);
dd¼¼distance
separating
the
plates,
(in);
ww¼¼
the
ofofthe
plates
in the channel
defined
by the rotating
extrusion
screw
stationary
vextrusion
¼
pDN
cos
A
(8.6)
perpendicular
tovelocity
velocity
direction,
m
(in).
These
parameters
can
becompared
compared
with
those
inperpendicular
the channel defined
by the
rotating
screw
and thecan
stationary
barrelwith
surface.
perpendicular
to
velocity
direction,
(in).
These
parameters
can
be
compared
with
those
direction,
(in).
These
parameters
be
those
perpendicular
toto
velocity
direction,
mmm
(in).
These
parameters
can
be
compared
with
those
v
¼
pDN
cos
A
(8.6)
(8.6)
in
the
channel
defined
by
the
rotating
extrusion
screw
and
the
stationary
barrel
surface.
in
the
channel
defined
by
the
rotating
extrusion
screw
and
the
stationary
barrel
surface.
thechannel
channeldefined
definedby
bythe
therotating
rotatingvextrusion
extrusion
screw
¼ pDN
A and the stationary barrel surface.
(8.6)
(8.7)
d ¼ dcos
cscrew
ininthe
v ¼ pDN cos
A and the stationary barrel surface.
(8.6)
(8.7)
d
¼
d
c
v ¼pDN
pDN
cos
A
(8.6)
pDN
(8.6)
(8.7)
(8.7)
d
¼ tan
dcos
ðpD
A
�
wf Þ cos A
(8.8)
and w ¼ w
AA
(8.6)
ccos
vvcv¼¼¼pDN
A
(8.6)
(8.7)
d ¼ dcos
c
tan
A � w Þ cos A
(8.8)
and w ¼ wc ¼ ðpD
(8.7)
d¼¼
¼dtan
(8.7)
ddcc A � wff Þ cos A
(8.8)
and w ¼ m
w ¼dðpD
(8.7)
dd¼
(8.7)
d¼
¼
screw
where D ¼ screw flight diameter,
Ntan
speed,
rev/s;
d
c c screw
y w ¼ wc c¼(in);
(8.8)
ðpD
A � wrotational
Þ
cos
A
(8.8)
and
c
f
¼
screw
width,
m��
(in);
Acos
¼AA
flight
angle;
anddwf¼¼screw
flight
channel
m (in);
where Ddepth,
¼ screw
flightwdiameter,
m
N
¼
screw
rotational
rev/s;
¼ðpD
ðpD
tan
A
�
w
cos
A speed,
(8.8)
and
w ¼channel
wcc(in);
cand
ðpD
tan
w
ÞÞcos
(8.8)
and
w
¼¼
tan
AA
(8.8)
ðpD
A
� wwfrotational
Þf fÞfcos
A speed, rev/s; dcc ¼ (8.8)
and
www¼¼¼ww
screw
where
D¼
screw
flight
diameter,
m
(in);
Ntan
¼land
screw
c c¼
land
width,
m
(in).
If
we
assume
that
the
flight
width
is
negligibly
small,
then
the
last
donde
D
=
diámetro
de
la
paleta
del
tornillo,
m
(pulg);
N
=
velocidad
rotacional
del
tornillo,
¼
screw
channel
width,
m
(in);
A
¼
flight
angle;
and
w
¼
flight
channel
depth,
m
(in);
w
where D ¼ screw flight diameter,
m (in); N ¼ screw rotational speed, rev/s; dc ¼f screw
c
¼ screw
channel
width,
m (in);
Aancho
¼ flight
angle;
and
wf ¼ flight
channel
depth,
m (in);
wccanal
of
these
equations
reduces
to
=
profundidad
del
del
tornillo,
m
(pulg);
w
=
del
canal
del
tornillo,
m
rev/s;
d
land
width,
m
(in).
If
we
assume
that
the
flight
land
width
is
negligibly
small,
then
the
last
¼flight
screw
where
D¼¼
¼screw
screw
flight
diameter,
m(in);
(in);width,
N¼¼
¼screw
screw
rotational
speed,
rev/s;
¼
screw channel
m (in);
A ¼ flight
angle;rev/s;
and w
channel
depth,
m (in);
wcdiameter,
cD
crotational
screw
where
D
screw
flight
diameter,
(in);
N
screw
speed,
rev/s;
cc¼
¼¼
screw
where
flight
rotational
speed,
dcdd
cf¼
screw
where
D=
¼ángulo
screw
flight
mmm
(in);
NN
¼ screw
rotational
speed,
rev/s;
dthen
land A
width,
m (in).
If paleta
wediameter,
assume
that
the
flight
land
width
islanegligibly
small,
the
last
(pulg);
de
la
o
hélice,
y
w
=
ancho
del
filo
de
paleta,
m
(pulg).
Si
se
supone
of
these
equations
reduces
to
¼screw
screw
channel
width,
m(in);
(in);is
A
¼flight
flightangle;
angle;
and
wthe
¼flight
flight
channel
depth,
m(in);
(in);
wcc¼¼
land
width,
m (in).
If(in);
weww
assume
that
thefflight
landmwidth
negligibly
small,and
then
last
screw
channel
width,
m
(in);
¼
flight
angle;
and
flight
channel
depth,
f¼
channel
width,
AA
channel
depth,
screw
channel
width,
m¼
(in);
¼¼
angle;
and
wwfwf¼f¼
flight
channel
depth,
mmm
(in);
wla
ofelthese
equations
reduces
c c¼
wto
p
D tan
A
cos
A
p
DA
sin
Aflight
c ¼
que
ancho
del
borde
de
paleta
othat
hélice
esflight
tan
pequeño
que
es
insignificante,
entonces
la(8.9)
úlland
width,
m(in).
(in).reduces
If
we
assume
that
the
flight
land
width
isnegligibly
negligiblysmall,
small,
thenthe
the
last
of
these
equations
to
land
width,
m
(in).
If
we
assume
that
the
flight
land
width
is
negligibly
small,
then
the
last
land
width,
m
If
we
assume
the
land
width
is
then
last
landecuación
width, mse(in).
If we
assume
that
the
flight
land
width
is
negligibly
small, then the last
w
¼
p
D
tan
A
cos
A
¼
p
D
sin
A
(8.9)
c
tima
reduce
a
ofthese
theseequations
equationsreduces
reducesw
to¼ p D tan A cos A ¼ p D sin A
of
these
equations
reduces
to
of
to
(8.9)
ofSubstituting
these equations
Eqs. reduces
(8.6), (8.7),
and
wtoc c¼and
p D(8.9)
tan Ainto
cos Eq.
A ¼(8.5),
p D sin
A using several trigonometric
(8.9)
identities,
weEqs.
get (8.6), (8.7),
Substituting
and
into
Eq.
(8.5),
and
using several
trigonometric
sen
A
¼pppD(8.9)
Dtan
tanA
Acos
cos
A¼¼
¼pppDD
Dsin
sinAA
A
(8.9)
wcc¼
(8.9)
¼
D
tan
A
cos
sin
(8.9)
AA
(8.9)
wwwc¼
p D(8.9)
tan
Ainto
cos
A
¼ (8.5),
p D sin
A using several trigonometric
(8.9)
Substituting Eqs. (8.6), (8.7),
and
Eq.
and
identities, we
get(8.6), (8.7),c and (8.9) into Eq. (8.5), and using several trigonometric
Substituting
Eqs.
2
identities, we get
Q(8.7)
¼ 0:5
p2 into
D
decuación
cosA
(8.10)
c sinA
dand
Substituting
Eqs.(8.6),
(8.6),(8.7),
(8.7),
and
(8.9)
into
Eq.
(8.5),
and
using
several
trigonometric
identities,
get
Al
sustituir we
las Eqs.
ecuaciones
(8.6),
y(8.9)
(8.9)
enN
la
(8.5),
y con
el empleo
de varias
Substituting
Eqs.
(8.6),
(8.7),
Eq.
(8.5),
and
using
several
trigonometric
Substituting
and
(8.9)
into
Eq.
(8.5),
and
using
several
trigonometric
Substituting Eqs. (8.6), (8.7), Q
and¼(8.9)
into
(8.5),
and
using
several
trigonometric
2
2 Eq.
0:5
p
D
N
d
sinA
cosA
(8.10)
c
identities,
we
get
identidades
trigonométricas,
se
obtiene
d
identities,
we
get
2
2
identities,we
weget
get
p
D
(8.10)
identities,
c sinA cosA
2forward
2 N dmotion
d ¼ 0:5
If no forces were
present toQQ
resist
the
of
the
fluid,
this
equation
would
¼
0:5
p
D
N
d
sinA
cosA
(8.10)
c
d
provide
a reasonable
description
of
melt
rate
the this
extruder.
However,
222 D
222 N
If no forces
were present
toQresist
the
forward
ofinside
the
fluid,
equation
would
Q
¼0:5
0:5the
p
N flow
dmotion
sinA
cosA
(8.10)
sen
AcosA
cos
A (8.10)
Q
¼
0:5
sinA
cosA
(8.10)
ccsinA
p2pforward
D2D
(8.10)
dd¼
d¼
Q
0:5
p
D
NNddcdcmotion
sinA
cosA
(8.10)
If
no
forces
were
present
to
resist
the
of the
fluid,a this
equation
would
d
the polymer
melt
through
themelt
downstream
creates
back
pressure
in the
provide
a reasonable
description
of forward
the
flow rate
inside
thethis
extruder.
However,
Ifcompressing
no forces
were
present
to
resist
the
motion
ofdie
the
fluid,
equation
would
providethat
a reasonable
description
of theby
melt
flow
rate
inside
the This
extruder.
However,
barrel
reduces
the
material
moved
drag
flow
inof
Eq.
(8.10).
flow
reduction,
compressing
the
polymer
melt
through
downstream
die
creates
back
pressure
in
the
Ifno
no
forces
were
present
to
resist
the
forward
motion
of
the
fluid,
thisequation
equation
would
provide
a reasonable
description
ofthe
theforward
melt
flow
rate
inside
the
However,
Si
no
hay
fuerzas
presentes
que
seresist
opongan
elthe
movimiento
hacia
delante
delaextruder.
fluido,
esta
ecuación
If
no
forces
were
present
to
resist
the
forward
motion
of
the
fluid,
this
equation
would
forces
were
present
to
motion
the
fluid,
this
would
IfIf
no
forces
were
present
to
resist
the
forward
motion
of
the
fluid,
this
equation
would
compressing
the
polymer
melt
through
the
downstream
die
creates
a
back
pressure
in the
called
the
back-pressure
flow,
depends
on
the
screw
dimensions,
viscosity
of
the
polymer
barrel
that
reduces
the
material
moved
by
drag
flow
in
Eq.
(8.10).
This
flow
reduction,
provide
a
reasonable
description
of
the
melt
flow
rate
inside
the
extruder.
However,
compressing
the
polymer
melt
through
the
downstream
die
creates
a
back
pressure
in
the
proveería
una
descripción
razonable
de
la
velocidad
de
flujo
del
fundido
dentro
del
extrusor.
Sin
provide
a
reasonable
description
of
the
melt
flow
rate
inside
the
extruder.
However,
provide
reasonable
description
themelt
melt
flow
rate
inside
theextruder.
extruder.
However,
provide
aareasonable
description
ofof
the
flow
rate
the
However,
barreland
that
reducesgradient
the
material
moved
by
drag
flow
ininside
Eq.
(8.10).
This
flow
reduction,
melt,
pressure
along
the
barrel.
These
dependencies
can
beflow
summarized
in
called
the
back-pressure
flow,
depends
the
screw
dimensions,
viscosity
of
the
polymer
compressing
thepolymer
polymer
melt
through
the
downstream
diecreates
creates
aback
back
pressure
inthe
the
barrel
that
reduces
the
material
moved
by
drag
flow
in die
Eq.
(8.10).
This
reduction,
embargo,
al comprimir
el polímero
fundido
aon
través
del
recorrido
hacia
el
dado,
sepressure
crea
una
concompressing
the
polymer
melt
through
the
downstream
die
creates
a
back
pressure
the
compressing
the
melt
through
the
downstream
a
compressing
the
polymer
melt
through
the
downstream
die
creates
a
back
pressure
ininin
the
called
the
back-pressure
flow,
depends
on
the
screw
dimensions,
viscosity
of
the
polymer
this
equation
[12]:
melt,
and
pressure
gradient
along
the
barrel.
These
dependencies
can
be
summarized
in
barrel
that
reduces
the
material
moved
by
drag
flow
in
Eq.
(8.10).
This
flow
reduction,
called
the
back-pressure
flow,
depends
on
the
screw
dimensions,
viscosity
of
the
polymer
trapresión
en
el
cilindro
que
reduce
el
material
que
se
mueve
por
flujo
de
arrastre
en
la
ecuación
barrel
that
reduces
the
material
moved
by
drag
flow
in
Eq.
(8.10).
This
flow
reduction,
barrel
thatreduces
reducesthe
thematerial
material
moved
bydrag
drag
flowdependencies
Eq.(8.10).
(8.10).can
This
flow
reduction,
barrel
moved
by
flow
ininEq.
This
flow
reduction,
melt, that
and
pressure
gradient
along
the barrel.
These
be
summarized
in
this
equation
[12]:
called
the
back-pressure
flow,
depends
on
the
screw
dimensions,
viscosity
of
the
polymer
(8.10).
Esta
reducción
del
flujo,
que
se
llama
flujo
a
contrapresión,
depende
de
las
dimensiones
melt,
and
pressure
gradient
along
the
barrel.
These
dependencies
can
be
summarized
in
called
the
back-pressure
flow,
depends
on
the
screw
dimensions,
viscosity
of
the
polymer
called
theback-pressure
back-pressure
flow,depends
dependson
onthe
the
screw
dimensions,
viscosityofofthe
thepolymer
polymer
3 screw
2 called
the
flow,
viscosity
this equation
[12]:
pDd
A dimensions,
dp
del
tornillo,
lapressure
viscosidad
del polímero
fundido
el
gradiente
de presióncan
acan
lobe
largo
del cilindro.
melt,
andpressure
pressure
gradient
along
the
barrel.
These
dependencies
can
besummarized
summarized
in
this
equation
[12]: gradient
cy sin
melt,
and
gradient
along
the
barrel.
These
dependencies
be
summarized
melt,
and
along
the
barrel.
These
dependencies
¼
Q
(8.11)
melt, and pressure gradient along the
dependencies
can be summarized
ininin
2
b barrel.3 These
pDd
sin
A
dp
12h
dl
Estas
dependencias
se
resumen
en
la
siguiente
ecuación
[12]:
this
equation
[12]:
thisequation
equation[12]:
[12]:
3c
2 this
equation
[12]:
Q ¼ pDd
(8.11)
A dp
this
3 c sin
sin2 A dp
dl Qbb ¼pDdc12h
(8.11)
Qb ¼
(8.11)
3
3 12h
2
2
3
2
dl
3
2
pDd
sin
A
dp
/sec);
¼ dl
viscosity,
N-s/m (lb-sec/in ); dp/dl ¼
where Qb ¼ back pressure flow, m /s (in
pDd
sin
A
dp
3 3ccsen
2 2hA
12h
A
pDd
sin
dp
¼
Q
(8.11)
2pDd
¼
(8.11)
3b¼
3 c csin A dp
2
2
(8.11)
QQ
(8.11)
b
b
/in);
and
the
other
terms
were
previously
defined.
the
pressure
gradient,
MPa/m
(lb/in
¼
Q
(8.11)
pressure
flow,
m
/s
(in
/sec);
h
¼
viscosity,
N-s/m
¼
where
Qb ¼ back
12h
dl
12h
b 3
3 12h
2 (lb-sec/in2); dp/dl
dldl
12h
dl
¼
back
pressure
flow,
m
/s
(in
/sec);
h
¼
viscosity,
N-s/m
(lb-sec/in
);
dp/dl
¼
where
Q
2
3 barrel
3
2 of the screw
2
b pressure gradient in the
The
actual
is
a
function
of
the
shape
over
its
/in);
and
the
other
terms
were
previously
defined.
the
pressure
gradient,
MPa/m
(lb/in
/sec); h ¼ viscosity, N-s/m (lb-sec/in ); dp/dl ¼
where Qb ¼ back pressure flow, m /s (in
2
the 8.6.
other
terms
were
previously
the
pressure
gradient,
MPa/m
(lb/in
3 /in);
3 and
32
22
22 defined.
3given
333
length;
aQbtypical
pressure
profile
is
in
Ifof
we
assume
as
an
The
actual
pressure
gradient
in
the
barrel
isFigure
athe
function
the
shape
of
theapproximation
screw
over
its
¼
back
pressure
flow,
m
/s
(in
/sec);
h¼¼
¼viscosity,
viscosity,
N-s/m
(lb-sec/in
);dp/dl
dp/dl
¼
where
/in);
and
other
terms
were
the
pressure
gradient,
MPa/m
(lb/in
3
¼
back
pressure
flow,
m
/s
(in
/sec);
h
viscosity,
N-s/m
(lb-sec/in
);
dp/dl
where
Q
3
3
222 previously
222);
b
¼
back
pressure
flow,
m
/s
(in
/sec);
h
N-s/m
(lb-sec/in
);defined.
dp/dl
¼¼
where
Q
donde
Q
a pressure
contrapresión,
m
/s/s(pulg
/s);
η
=
viscosidad,
(lb-s-pulg
=
b¼flujo
back
flow,
m
(in
/sec);
h
¼
viscosity,
N-s/m
(lb-sec/in
);
dp/dl
¼
where
Q
The
actual
pressure
gradient
in
the
barrel
is
a
function
of
the
shape
of
the
screw
overthe
its
b b=
22
2
that
the
profile
is
a
straight
line,
indicated
by
the
dashed
line
in
the
figure,
then
length;
a
typical
pressure
profile
is
given
in
Figure
8.6.
If
we
assume
as
an
approximation
/in);
and
the
other
terms
were
previously
defined.
the
pressure
gradient,
MPa/m
(lb/in
The
actual
pressure
gradient
in
the
barrel
is
a
function
of
the
shape
of
the
screw
over
its
2
/in);
and
the
other
terms
were
previously
defined.
the
pressure
gradient,
MPa/m
(lb/in
2
/in);
and
the
other
terms
were
previously
defined.
the
pressure
gradient,
MPa/m
(lb/in
gradiente
de
presión,
MPa/m
(lb/pulg
los
demás
términos
se definieron
antes.
El gra/in);p/L,
and
the the
other
were
previously
defined.
the
pressure
gradient,
MPa/m
(lb/in
length;
a typical
pressure
profile
is/pulg);
given
in
Figure
8.6.
Ifterms
weya
assume
as anreduces
approximation
pressure
gradient
a line,
constant
previous
equation
to
that
the
profile
is becomes
a gradient
straight
indicated
line
in
the
figure,
then
Theactual
actual
pressure
gradient
inis
the
barrel
isand
afunction
function
of
the
shape
of
the
screw
overthe
its
length;
a typical
pressure
profile
given
in Figure
8.6. dashed
If
we
assume
an
approximation
The
actual
pressure
in
the
barrel
is
aby
function
of
the
shape
of
the
screw
over
its
The
pressure
the
barrel
the
shape
the
screw
over
its
diente
de
real
el cilindro
es
función
de
forma
del
tornillo
a in
loas
largo
de
su longitud;
The
pressure
gradient
ininline,
the
barrel
isis
aala
function
ofof
the
shape
ofof
the
screw
over
its
thatactual
thepresión
profile
is en
agradient
straight
indicated
by
the dashed
line
the
figure,
then
the
pressure
gradient
becomes
a
constant
p/L,
and
the
previous
equation
reduces
to
length;
a
typical
pressure
profile
is
given
in
Figure
8.6.
If
we
assume
as
an
approximation
that
the
profile
is
a
straight
line,
indicated
by
the
dashed
line
in
the
figure,
then
the
length;
a
typical
pressure
profile
is
given
in
Figure
8.6.
If
we
assume
as
an
approximation
length;
a
typical
pressure
profile
is
given
in
Figure
8.6.
If
we
assume
as
an
approximation
en
la figura
8.6 sepressure
dabecomes
un perfil
de lap/L,
presión.
Si2 como
suponetoque el
3 the
length;
a typical
profile
is given
inppDd
Figure
8.6.
If weaproximación
assume
as anse
approximation
pressure
gradient
acomún
constant
and
equation
reduces
sin
Aprevious
that
the
profile
isaaastraight
straight
line,indicated
indicated
by
the
dashed
line
inentonces
the
figure,
then
the
pressure
gradient
becomes
constant
p/L,
and
previous
equation
reduces
to
cthe
that
the
profile
straight
line,
indicated
by
the
dashed
line
the
figure,
then
the
that
profile
isis
line,
by
the
dashed
line
inin
the
figure,
then
the
perfil
esthe
una
línea is
recta,
que
ena la
figura
se
indica
con
una
línea
de
rayas,
el then
gradiente
Q
(8.12)
that
the
profile
a straight
line,
indicated
by
line
in
the
figure,
the
3the
2dashed
b ¼
ppDd
sin
A
12hL
pressure
gradient
becomes
a
constant
p/L,
and
the
previous
equation
reduces
to
pressure
gradient
becomes
a
constant
p/L,
and
the
previous
equation
reduces
to
3
2
c
pressure
gradient
becomes
a
constant
p/L,
and
the
previous
equation
reduces
to
de
presión gradient
se vuelve becomes
una constante
p/L, Q
y lap/L,
anterior
a
¼ecuación
ppDd
sin
A se reduce
pressure
a constant
and
equation
reduces to (8.12)
3 cthe
2 previous
Qb ¼ppDd12hL
(8.12)
c sin A
Qb b¼
(8.12)
12hL
33 sin
2222 A
ppDd
ppDd
sin
A
and
L
¼
length
of
the
barrel,
m
(in).
where p ¼ head pressure in the barrel, MPa
(lb/in
3 3ccsin
22);
12hL
ppDd
A
ppDdc csen
sin2AA
¼
Qbb¼¼
(8.12)
Q
(8.12)
(8.12)
(8.12)
QQis
(8.12)
Recall
this back-pressure
really
an
actual
flow
by
itself;
it
is
a
reduction
in
12hL
);
and
L
¼
length
of
the
barrel,
m
(in).
where pthat
¼ head
pressure in theflow
barrel,
MPanot
(lb/in
12hL
bb¼
12hL 2); and L ¼ length of the barrel, m (in).
where p ¼ head pressure in the barrel, MPa12hL
(lb/in
2
Recallp that
thispressure
back-pressure
flow is really
not an
by itself;
it isbarrel,
a reduction
);actual
and Lflow
¼ length
of the
m (in).in
where
¼ head
in the barrel,
MPa (lb/in
Recall that this back-pressure flow is really not an22actual
flow by itself; it is a reduction in
2
);and
and
L¼
length
of
the
barrel,mm
m(in).
(in).
where
p¼
¼this
head
pressureinin
inthe
the
barrel,
MPa
(lb/in
Recall
that
back-pressure
flow
is really
not
an2actual
flow
by
itself;
itthe
is
abarrel,
reduction
in
and
L
length
of
the
barrel,
(in).
where
head
pressure
the
barrel,
MPa
(lb/in
length
where
pp
head
pressure
barrel,
MPa
(lb/in
2), of
);););
and
¼¼¼
length
mdel
(in).
where
¼¼
head
pressure
in the
MPa
donde
pp=
presión
piezométrica
o barrel,
estática
en
el(lb/in
cilindro,
MPaLL(lb/pulg
yofLthe
= barrel,
longitud
ciRecall
that
this
back-pressure
flow
is
really
not
an
actual
flow
by
itself;
it
is
a
reduction
in
Recall
that
this
back-pressure
flow
is
really
not
an
actual
flow
by
itself;
it
areduction
reduction
Recall
that
this
back-pressure
flow
really
not
an
actual
flow
by
itself;
areduction
Recall
this
back-pressure
flow
really
not
actual
flow
by
itself;
ititno
isisis
aes
ininin
lindro,
mthat
(pulg).
Hay
que recordar
queisiseste
flujo
a an
contrapresión
en
realidad
un flujo real
C08
08/02/2011
10:13:19
Page 156
C08C0808/02/2011
156 156
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10:13:19PagePage
156
8.2 Extrusión 151
Chapter 8/Shaping Processes for Plastics
156156 Chapter
8/Shaping
Processes
for for
Plastics
Chapter
8/Shaping
Processes
Plastics
Presión piezométrica
(estática), p
Extremo de la alimentación de la tolva Extremo
del dado
FIGURE 8.6 Typical pressure
gradient 8.6
in an extruder;dedashed
FIGURA
presión line
típico
FIGURE
8.68.6Gradiente
Typical
pressure
FIGURE
Typical
pressure
indicates
a straight
approximation
en
un extrusor;
la línealine
punteada
indica una
gradient
in an
dashed
lineline
gradient
in extruder;
an extruder;
dashed
aproximación
lineal recta para facilitar
to facilitate computations.
(Credit:los
indicates
a straight
lineline
approximation
indicates
a straight
approximation
cálculos.
(Crédito:
of MoFundamentals
ofFundamentals
Modern
to facilitate
computations.
(Credit:
toManufacturing,
facilitate
computations.
(Credit:
dern
ed., deby
Mikell
P.
Manufacturing,
4th4a.
Edition
Mikell
Fundamentals
of
Modern
Fundamentals
of
Modern
Groover,
2010.
Reimpreso
con
autorización
P. Groover,
2010.
Reprinted
with
th
th
Manufacturing,
4 4Edition
by Mikell
Manufacturing,
Edition
by Mikell
de
John
Wileyof&John
Sons,
Inc.)
permission
Wiley
& Sons, Inc.)
P. Groover,
2010.
Reprinted
with
P. Groover,
2010.
Reprinted
with
permission
of John
Wiley
& Sons,
Inc.)Inc.)
permission
of John
Wiley
& Sons,
Gradiente de presión típico
Aproximación
Posición en el cilindro
L
por
mismo;
una reducción
en el flujo
arrastre. Así,
la melt
magnitud
delan
flujo
fundidoasen
un
the sí
drag
flow.es
Thus,
we can compute
thepor
magnitude
of the
flow in
extruder
the
extrusor
se calcula
como
ladrag
diferencia
entre
el flujo por arrastre
y el flujo a contrapresión:
difference
between
the
flow
and
back-pressure
flow:
thethe
drag
flow.
Thus,
we we
cancan
compute
thethe
magnitude
of the
melt
flow
in an
as the
drag
flow.
Thus,
compute
magnitude
of the
melt
flow
in extruder
an extruder
as the
difference
between
thethe
drag
flow
andand
back-pressure
flow:
difference
between
drag
flow
back-pressure
flow:
Q ¼Q �Q
x
Example 8.1
Ejemplo 8.1
Extrusion
Flow
Example
8.1
Example
8.1
Gastos
de
Rates
Extrusion
Flow
Extrusion Flow
extrusión
Rates
Rates
d
b
A
ppDd3c sen
sin2 A
(8.13)
Qxx Q
¼ x0:5
Q
�2dQ
¼d Q
�b2Q
(8.13)
Q
¼
p
D
Nb dc sen
sin A
A cosA �
3 32 2
12hL
ppDd
sin sin
A A
(8.13)
ppDd
(8.13)
Qx Q
¼ x0:5
p2 D
N2dN
A cosA
� � c c
¼ 0:5
p22 D
dc sin
A cosA
c sin
12hL
12hL
donde
velocidad
de flujoflow
resultante
polímeromelt
fundido
en elextruder.
extrusor. La
ecuación(8.13)
(8.13)
the resulting
rate ofdelpolymer
in the
Equation
whereQQ
x x=¼
supone
que
hay
una is
pérdida
de flujo
mínima
a través
del
claro entre
las paletas
y eland
cilindro.
La
assumes
that
there
minimal
leak
flow
through
the
clearance
between
flights
barrel.
¼x the
resulting
flow
raterate
of polymer
melt
in the
extruder.
Equation
(8.13)
where
Qx Q
¼ the
resulting
flow
of polymer
melt
in the
extruder.
Equation
(8.13)
where
pérdida
de flujo
de líquido
será
pequeña en
comparación
con
el arrastre y flow,
el flujo
a contrapresión,
Leak
flow
of
melt
is
small
compared
with
drag
and
back-pressure
except
in
badly
assumes
thatthat
there
is minimal
leak
flow
through
thethe
clearance
between
flights
andand
barrel.
assumes
there
is minimal
leak
flow
through
clearance
between
flights
barrel.
excepto
en extrusores muy desgastados.
worn
extruders.
Leak
flow
of
melt
is
small
compared
with
drag
and
back-pressure
flow,
except
in
Leak flow of melt is small compared with drag and back-pressure flow, except badly
in badly
LaEquation
ecuación (8.13)
(8.13) contains
contiene muchos
parámetros, which
que pueden
dividirse
dos two
tipos:
1) de
many parameters,
can be
dividedeninto
types:
worn
extruders.
worn
extruders.
diseño
y 2) parameters,
de operación.and
Los(2)
parámetros
deparameters.
diseño son aquellos
que definen
la configuración
(1) design
operating
The
design
parameters
are
those
Equation
(8.13)
contains
many
parameters,
which
cancan
be be
divided
intointo
twotwo
types:
Equation
(8.13)
contains
many
parameters,
which
divided
types:
geométrica
y del
diámetro
D, longitud
L, profundidad
canal ddepth
that
define del
thetornillo
geometry
ofcilindro:
the
screw
and barrel:
diameter
D,
lengthparameters
L,del
channel
d c,
c y ángulo
(1) (1)
design
parameters,
and
(2) (2)
operating
parameters.
TheThe
design
are
those
design
parameters,
and
operating
parameters.
design parameters
are
those
de
lahelix
hélice
A. Para
la operación
de un extrusor
determinado,
estoscannot
factoresbenochanged
pueden during
cambiar
and
angle
A.
For
a
given
extruder
operation,
these
factors
thatthat
define
thethe
geometry
of the
screw
andand
barrel:
diameter
D, length
L, channel
depth
d c, d c,
define
geometry
of the
screw
barrel:
diameter
D, length
L, channel
depth
durante
el proceso.
Los parámetros
de operación
son that
aquellos
susceptibles
de
cambiar
el
the
process.
TheA.operating
parameters
are those
can
be changed
during
thedurante
process
andand
helix
angle
For
a given
extruder
operation,
these
factors
cannot
be changed
during
helix
angle
A.elFor
a given
extruder
operation,
these
factors
cannot
be changed
during
proceso,
para
afectar
flujo
de
salida;
incluyen
la
velocidad
rotacional
N,
presión
estática
(pieto
output
flow;
they include
rotational
speed
N, can
headbepressure
p,during
and melt
theaffect
process.
TheThe
operating
parameters
are those
that
theviscosity
process
the
process.
operating
parameters
those
that
can changed
be changed
during
the
process
zométrica)
p, ymelt
viscosidad
del isfundido
η. Porare
supuesto,
la viscosidad
del fundido
es controlable
h.
Of
course,
viscosity
controllable
only
to
the
extent
to
which
temperature
and
to affect
output
flow;
they
include
rotational
speed
N, head
pressure
p, and
melt
viscosity
to
affect
output
flow;
they
include
rotational
speed
N,
head
pressure
p,
and
melt
viscosity
sólo
hasta
elcan
grado
en que la temperatura
ythis
la velocidad
deLet
corte
se pueden
manipular
paraplay
afecshear
rate
be
manipulated
to
affect
property.
us
see
how
the
parameters
h. Of
course,
melt
viscosity
is controllable
only
to the
extent
to which
temperature
andand
h.
Of
course,
melt
viscosity
isejemplo
controllable
only
to verá
the
extent
to which
temperature
tar
dicha
propiedad.
Ahora,
en
el
que
sigue,
se
la
manera
en
que
los
parámetros
out
their
roles
in manipulated
the followingtoexample.
shear
raterate
cancan
be
affect
thisthis
property.
LetLet
us see
how
thethe
parameters
play
shear
be manipulated
to affect
property.
us see
how
parameters
play
desempeñan sus funciones.
outout
their
roles
in the
following
example.
their
roles
in the
following
example.
An extruder barrel has a diameter D ¼ 75 mm. The screw rotates at N ¼ 1 rev/s. Channel
Un
cilindro
un diámetro
75
El tornillo
giraata the
N =end
1 rev/s.
La barrel
profundidad
6.0 mm tiene
andaflight
angleDD
A¼=
¼75
20�mm.
. Head
pressure
of the
p¼
depth
dc ¼ extrusor
AnAn
extruder
has
diameter
The
screw
rotates
at N
Channel
extruder
barrel
has
aángulo
diameter
D
¼ mm.
75A mm.
The
screw
rotates
at¼N1¼rev/s.
1 el
rev/s.
Channel
6 es d barrel
del
canal
=
6.0
mm
y
el
de
la
paleta
=
20°.
La
presión
piezométrica
en
extremo
del
clength of the barrel L ¼ 1.9 m, and
Pa,
7.0�10
� �viscosity of the polymer melt is assumed to
mm
flight
angle
A cilindro
¼
. Head
pressure
at the
enddel
ofpolímero
the
barrel
p ¼p ¼
depth
dpc ¼
¼ 6.0
mm
and
flight
angle
A20
¼ 20
.=Head
pressure
at the
end
of the
barrel
depth
dc6.0
6and
cilindro
=
7.0
×
10
Pa,
la
longitud
del
L
1.9
m
y
la
viscosidad
fundido
be
h ¼6100
6 Pa-s. Determine the volume flow rate of the plastic in the barrel Qx.
Pa,
length
of Pa-s.
the
barrel
L ¼L1.9
m, and
viscosity
the
polymer
is assumed
to to
7.0�10
length
of the
barrel
¼
m, and
viscosity
of the
polymer
melt
isen
assumed
7.0�10
se
supone
dePa,
η=
100
Determine
la 1.9
velocidad
de
flujoofvolumétrico
delmelt
plástico
el cilin.
be
h
¼
100
Pa-s.
Determine
the
volume
flow
rate
of
the
plastic
in
the
barrel
Q
.
be
h
¼
100
Pa-s.
Determine
the
volume
flow
rate
of
the
plastic
in
the
barrel
Q
Solution:
Using Eq. (8.13) we can compute the drag flow and opposing back pressure
x x
dro
Qx.
flow
in
the
barrel.
Solution:
Using
Eq.Eq.
(8.13)
we we
can
compute
thethe
flow
andand
opposing
pressure
Solution:Con
Using
(8.13)
can
compute
drag
back
pressure
Solución:
la ecuación
(8.13)
puede
calcularse
eldrag
flujo
deflow
arrastre
yopposing
el flujoback
opuesto
a conflow
in
the
barrel.
flow
in
the
barrel.
2
�3
�9
2 cilindro. �3
3
trapresión
en
el
Q ¼ 0:5 p ð75 � 10 Þ ð1:0Þð6 � 10 Þðsin 20Þðcos 20Þ ¼ 53; 525 ð10 Þ m =s
d
2
6
2 �32Þð6 � 10�3
�9 �9 3 �9
�3
�3
10
Þð75
�10Þ10
Þ3Þðsin
ðsin20Þ
sen
¼ pð7
0:5
p�2 ð75
�
10
ð1:0Þð6
� 10
20Þðcos
20Þ20Þ
¼ 53;
525
ð10
Þ mÞ =s
Qd Q
¼ 0:5
p2 ð75
��3
Þ ð1:0Þð6
��3
10
Þðsin
20Þðcos
¼�6
53;
525
m3 =s
¼ 18:276ð10
Þ¼
18;ð10
276ð10
Þ m3 =s
Q
b ¼d
3 3
22 2
6 6 12ð100Þð1:9Þ
�3 �3
�3 �3
(sen
20)
pð7pð7
� 10
Þð75Þð75
� 10
� 10
� 10
� 10Þð6 Þð6
� 10Þ ðsin20Þ
Þ
ðsin20Þ
�6 �6
�9 �9 3 3
�9
¼ 18:276ð10
¼ ¼
Þ ¼Þ18;
276ð10
Þ mÞ =s
Qb Q
¼ 18:276ð10
¼ 18;
276ð10
m&=s
525
� 18; 276Þð10�9 Þ ¼ 35;249ð10
Þ m3 =s
Q
x ¼b Qd � Qb ¼ ð53;
12ð100Þð1:9Þ
12ð100Þð1:9Þ
�9 �9
�9 �9 3 3
¼x Q
�dQ
¼b ð53;
525525
� 18;
276Þð10
Þ ¼Þ35;249ð10
Þ mÞ =s
Qx Q
¼d Q
�b Q
¼ ð53;
� 18;
276Þð10
¼ 35;249ð10
m =s
&■&
Extruder and Die Characteristics If back pressure is zero, so that melt flow is
given
byque
Eq.
unrestrained
indel
theextrusor
extruder,
then the flow
would
equal
drag
flow
Qd de
Extruder
andand
Die
Characteristics
pressure
is es
zero,
so
that
melt
flow
isel is
Características
y del dado If Siback
contrapresión
a cero,
modo
Extruder
Die
Characteristics
Iflaback
pressure
isigual
zero,
so
that
melt
flow
(8.10).
Given
the
design
and
operating
parameters
(D,
A,
N,
etc.),
this
is
the
maximum
by
Eq.
unrestrained
intenga
the
extruder,
then
thethe
flow
would
equal
drag
flow
Q
flujo
fundido no
restricción
en then
el extrusor,
entonces
el flujo
sería
igual
aldflujo
por
arrastre
given
by
Eq.
unrestrained
in the
extruder,
flow
would
equal
drag
flow
Qgiven
d
: this (D,
possible
flow
capacity
ofand
the operating
extruder.
Let us denote
itA,
asN,
Q
max
Q
dado
por
la
ecuación
(8.10).
Dados
los
parámetros
de
diseño
y
operación
A,
N,
etc.),
ésta
(8.10).
Given
the
design
parameters
(D,
etc.),
is
the
maximum
(8.10).
Given
the
design
and
operating
parameters
(D,
A,
N,
etc.),
this
is
the
maximum
d
es
lapossible
capacidad
de capacity
flujo máximo
posible
delLet
extrusor.
denotará
: Q: máx:
possible
flow
capacity
of the
extruder.
us denote
it as
flow
of the
extruder.
Let
us Se
denote
it Q
ascomo
Qmax
max
Qmax ¼ 0:5p2 D2 N dc sin A cos A
(8.14)
2 22 2
Qmax
¼ 0:5p
D D
N dN
A cos
A A (8.14)
(8.14)
Qmax
¼ 0:5p
dc sen
sin
A cos
(8.14)
c sin
máx
C08 08/02/2011
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157 157
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C0808/02/2011
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157Page
C08 08/02/2011
10:13:19 Page 157
152 CAPÍTULO 8 Procesos para dar forma a los plásticos
Section8.2/Extrusion
8.2/Extrusion
157
Section
Section
Section
8.2/Extrusion
8.2/Extrusion
157157157
Section 8.2/Extrusion
157
Característica del dado
Flujo fundido, Q
FIGURE8.7
8.7 Extruder
Extruder
FIGURE
Qmáx
FIGURA
8.7 Extruder
Característica
del
FIGURE
FIGURE
8.7
8.7
Extruder
characteristic
(also
called
the
extrusor
(también
llamada
caracteFIGURE
8.7
Extruder
characteristic
(also
called
the
characteristic
characteristic
(also called
(alsoand
the
called
the
screw
characteristic)
die
rística
del characteristic)
tornillo)
y(also
característica
characteristic
called
thedie
screw
and
die
screw
characteristic)
screw
characteristic)
and
dieand
characteristic.
The
extruder
delcharacteristic.
dado.
Elcharacteristic)
punto de
operación
del
screw
and
die
extruder
characteristic.
characteristic.
TheThe
extruder
extruder
operating
point
isThe
atextruder
intersection
extrusor
está enpoint
la intersección
de
characteristic.
The
operating
is
at
intersection
operating
operating
point
is
point
at
intersection
is
at
intersection
of
the
two(Crédito:
lines.(Credit:
(Credit:
lasof
dos
líneas.
Fundamenoperating
point
is
at
intersection
the
two
lines.
of
the
two
of
the
lines.
two
(Credit:
lines.
(Credit:
Fundamentals
of
Modern
talsFundamentals
of Modern
Manufacturing,
4a.
of
the
two
lines.
(Credit:
of
Modern
Fundamentals
Modern
ofEdition
Modern
Manufacturing,
4thth
by
ed.,Manufacturing,
de Fundamentals
Mikell P. of
Groover,
2010.
th of
th
Fundamentals
Modern
4
Edition
by
Manufacturing,
Manufacturing,
4 Edition
4 de
Edition
by
by
Mikell
P.
Groover,
2010.
Reprinted
th
Reimpreso
con
autorización
John
Manufacturing,
42010.
Edition
by
Mikell
P. Groover,
Reprinted
Mikell
P.
Mikell
Groover,
P.
Groover,
2010.
Reprinted
2010.
Reprinted
Wiley
& Sons,
Inc.) of John Wiley &
with
permission
Mikell
P.permission
Groover,
2010.
Reprinted
with
permission
of John
Wiley
& &
with
permission
with
of John
ofWiley
John
&Wiley
Sons,
Inc.)
with
permission
of
John
Wiley
&
Sons,
Inc.)
Sons, Inc.)
Sons, Inc.)
Sons, Inc.)
Punto de operación
Característica del extrusor
Presión estática
Pmáx
On the
the other
other hand,
hand, ifif back
back pressure
pressure were
were so
so great
great as
as to
to cause zero
zero flow,
flow, then
then back
back
PorOn
otro
lado,
sihand,
la would
contrapresión
fuerapressure
tanwere
grande
que
ocasionara
igual
a cero,
entonces
On
the
On
other
theflow
other
hand,
if back
if pressure
back
so
were
great
so
as
great
to cause
asuncause
toflujo
cause
zero
flow,
zero
then
flow,
back
then back
pressure
equal
drag
flow;
that
is,
Onpressure
other
hand,
if drag
back
were
great
as to cause zero flow, then back
pressure
flow
would
equal
drag
flow;
that
is, so
el flujo
athe
contrapresión
sería
igual
alpressure
flujo
por
arrastre;
decir,
pressure
flow
would
flow
would
equal
equal
flow;
drag
that
flow;
is,
that
is, es
pressure flow would equal drag flow; that is,
Qx¼¼Q
Qd��Q
Qb¼¼0;0; so
so Qd¼¼Q
Qb
Qdx �
¼x Q
¼dQ
Qbd ¼
�b 0;
Qbentonces
so¼Q0;d Q
¼
sod Q
Qbd ¼b Qb Qx Q
Qx ¼ Qd � Qb ¼ 0; so Qd ¼ Qb
Using
the
expressions
for
Q
andQ
Q in
in Eq.(8.13),
(8.13),we
wecan
cansolve
solvefor
forppto
todetermine
determinewhat
what
dand
Using
expressions
for
Q
Con
elUsing
usothe
dethe
las expressions
expresiones
QQ
y in
QbbbEq.
enbEq.
la
ecuación
(8.13),
se despeja
ap
fintodedetermine
determinar
dQ
Using
the
expressions
forpressure
Qdpara
for
and
and
Q
in
(8.13),
Eq. (8.13),
we
can
we
solve
can
for
solve
p to
for
determine
what what
dd b
would
have
to
be
to
cause
no
flow
in
the
extruder:
this
maximum
head
p
maxQ
Using
the
expressions
for
Q
and
Eq.
(8.13),
wecause
for
pflow
to
what
would
to be
to
cause
flow
indetermine
the
extruder:
this
maximum
pressure
cuál
tendría
que
serhead
lapressure
presión
estática
phave
para
hacer
que
nono
hubiera
flujo
enthe
el extrudp
b in
max
máx
would
have
to
have
be
to
to
becan
to solve
no
cause
flow
no
in
the
in
extruder:
extruder:
this
maximum
this
maximum
head
head
pressure
pmax
pmáxima
max would
would
have
to
be
to
cause
no
flow
in
the
extruder:
this
maximum
head
pressure
p
sor:
max
6pDNLhcotA
pmax6pDNLhcotA
¼6pDNLhcotA
(8.15)
6pDNLhcotA
p
¼
(8.15)
max
d22 2 A
pmax ¼pmax ¼
(8.15)
(8.15)
6pDNLhcotA
2 dcc cot
pmax
(8.15)
dc 2 dc
(8.15)
máx ¼
dc
Thetwo
twovalues
valuesQ
Qmaxand
andppmaxare
arepoints
pointsalong
alongthe
theaxes
axesof
ofaadiagram
diagramknown
knownas
as the
The
max
The two
The
values
two values
Qmaxmax
Qmax
and
pmax
and
are
pmax
points
are points
along as
the
along
axes
theofaxes
a8.7.
diagram
ofItadefines
diagram
known
known
asrelationthethe
as the
extruder
characteristic
(or
screw
characteristic),
in
Figure
the
The
two
values
and
pcharacteristic),
are
points
the
axes
of8.7.
aIt
diagram
known
as the
extruder
characteristic
(or
screw
as
in
Figure
8.7.
defines
the
relationLos
dos
valores
Qmáx
y p(or
son
puntos
a locharacteristic),
largo
de as
losalong
ejes
del
diagrama
conocido
como
caracmax
max
máxQ
extruder
extruder
characteristic
characteristic
screw
(or
characteristic),
screw
in
Figure
as
in
Figure
8.7.
It
defines
It
defines
the
relationthe
relationship
between
head
pressure
andflow
flowrate
rate
inan
anextrusion
extrusion
machine
with
given
design
and
extruder
characteristic
(or
screw
inmachine
Figure
8.7.
It
defines
relationship
between
head
and
in
machine
with
given
design
and
terística
delbetween
extrusor
(opressure
bien
característica
delrate
tornillo
oextrusion
gusano),
como
se
ve
endesign
lathe
figura
8.7.
ship
between
ship
head
pressure
head
pressure
and
flow
andcharacteristic),
rate
flow
in
an
extrusion
in anas
machine
with
given
with
given
design
and
and
operating
parameters.
ship
head
flow yrate
in an extrusion
with given
design and
operating
parameters.
Define
labetween
relación
entre pressure
la presiónand
estática
la velocidad
de flujomachine
en una máquina
de extrusión
operating
operating
parameters.
parameters.
Withparameters.
diein
inthe
the
machineand
andthe
theextrusion
extrusionprocess
processunderway,
underway,the
theactual
actualvalues
values
With
aade
die
machine
conoperating
parámetros
ythe
operación
dados.
With
aWith
die
inadiseño
the
die
in
machine
machine
and
the
and
extrusion
the
extrusion
process
process
underway,
underway,
the actual
the actual
valuesvalues
and
p
will
lie
somewhere
between
the
extreme
values,
the
location
determined
of
Q
xand
With
alie
die
the
machine
and
the
extrusion
underway,
the
actual
values
un
dado
lainmáquina
ybetween
el between
proceso
dethe
extrusión
enprocess
marcha,
losthe
valores
reales
de Qby
pby by
p will
lie
somewhere
extreme
values,
the
location
determined
ofCon
Q
x y by
px will
and
pen
will
somewhere
lie
somewhere
between
the
extreme
the
extreme
values,
values,
the
location
location
determined
determined
of Q
ofxcharacteristics
Q
x and
the
of
the
die.
Flow
rate
through
the
die
depends
on
the
size
and
shape
p will
somewhere
between
thethrough
extreme
values,
the
location
determined
by
of the
Q
estarán
en
algún
punto
entre
los
valores
extremos,
la
ubicación
determinada
las
característithe
characteristics
of
the
die.
Flow
rate
through
the
die
depends
on
the
size
and
shape
x and
the
characteristics
characteristics
oflie
the
of
die.
the
Flow
die.
rate
Flow
through
rate
the
diethe
depends
die
depends
on
thepor
on
size
the
and
size
shape
and
shape
of
the
opening
and
the
pressure
applied
to
force
the
melt
through
it.de
This
can
be
the
characteristics
of
the
die.
Flow
rate
through
the
die
depends
on
the
size
and
shape
cas
del
dado.
La
velocidad
de
flujo
a
través
de
éste
depende
del
tamaño
y
la
forma
la
abertura
of
the
opening
and
the
pressure
applied
to
force
the
melt
through
it.
This
can
be
of the
ofopening
the opening
and the
andpressure
the pressure
applied
applied
to force
to the
forcemelt
the through
melt through
it. Thisit. can
Thisbecan be
expressed:
oflaexpressed:
the
opening
thepara
pressure
theaquélla.
melt through
it. Thisasí:
can be
y de
presión
que seand
aplique
forzar applied
al fundidotoa force
pasar por
Esto se expresa
expressed:
expressed:
expressed:
Qx¼¼KK spp
(8.16)
(8.16)
(8.16)
Qx Q
Qsxp¼s K s p
¼x K
(8.16)
(8.16)
Qx ¼ K s p
(8.16)
3
3 3
2
3/s);
2),s y
¼
flow rate,
rate,
m
/sec.);
head
pressure,
Pa (lb/in
(lb/in
); and
and KK
shape
where
Qla
3 /s (in
3m
2 (lb/pulg
donde
Qx Q
es
velocidad
de
flujo,
p =pressure,
presión estática,
=
x¼
3m
3 en /sec.);
3/s (pulg
2 Pa);
2
flow
/sm53(in
pphead
¼¼
head
Pa
¼¼K
shape
where
x flow
s K
5
¼
¼
rate,
flow
m
rate,
/s
(in
/sec.);
/s
(in
/sec.);
p
¼
p
¼
pressure,
head
pressure,
Pa
(lb/in
Pa
);
(lb/in
and
K
and
¼s shape
where
where
Q
Q
x for the
x die, m5 /Ns (in
s ¼ shape
slength,
5/Ns
5For
35
3
2 el);
/lb-sec).
a
circular
die
opening
of
a
given
channel
factor
factor
de
forma
para
el
dado,
m
(pulg
/lb-s).
Para
una
abertura
circular
en
dado,
con
una
¼the
flow
m
/s
(in
pa circular
¼ahead
pressure,
(lb/in
); and
Klength,
shape
where
Qfor
5 5(in
5 /sec.);
/Ns
/lb-sec).
For
opening
aofgiven
channel
length,
factor
for
the
die,
mrate,
xdie,
s ¼
/Ns
(in
/lb-sec).
(in
/lb-sec).
For[12]
a circular
For
circular
diedie
opening
die
opening
ofPaaofgiven
achannel
given
channel
length,
factor
factor
for
the
m5die,
5 forma
the
shape
factor
can
be/Ns
computed
as
longitud
de
canal
dada,
el5m
factor
de
se
calcula
[12]
como:
/Ns
(in
/lb-sec).
For
a
circular
die
opening
of
a
given
channel
length,
factor
for
the
die,
m
the
shape
factor
can
be
computed
[12]
as
the shape
the shape
factor factor
can becan
computed
be computed
[12] as[12] as
the shape factor can be computed [12] as
pD44
4 dd 4
pD
(8.17)
¼
(8.17)
K
s
pD
pD
(8.17)
128hL
¼s ¼
¼dpD4ddd d
(8.17)
(8.17)
Ks K
Ks128hL
128hLd
(8.17)
K128hL
d
s ¼
128hLd
2
2
2 (lbdonde
Dd =
de la abertura
del dado,
m (pulg);
η=
viscosidad
del2fundido,
N-s/m
where
Dddiámetro
¼die
dieopening
opening
diameter,
m(in)
(in)
h¼¼melt
melt
viscosity,
N-s/m
(lb-sec/in
2 ); and
2
2
2
2
where
D
¼
diameter,
m
h
viscosity,
N-s/m
(lb-sec/in
); and
LLddL
ddie
2
where
where
D
D
¼
opening
¼
die
opening
diameter,
diameter,
m
(in)
m
h
¼
(in)
melt
h
¼
viscosity,
melt
viscosity,
N-s/m
N-s/m
(lb-sec/in
(lb-sec/in
);
and
);
L
and
dyopening
d
d
d
s/pulg
),
L
=
longitud
de
la
abertura
del
dado,
m
(pulg).
Para
formas
distintas
de
la
circular,
el
2
2
¼
die
length,
m
(in).
For
shapes
other
than
round,
the
die
shape
factor
is
less
Ddopening
die
opening
diameter,
mshapes
(in)
h¼
melt
viscosity,
N-s/m
(lb-sec/in
);less
and
¼where
die
opening
length,
m (in).
For
shapes
other
than
round,
die
shape
factor
is less
d¼
d
¼factor
die
opening
¼
die
length,
length,
mes(in).
m
For
(in).
shapes
For
other
than
other
round,
than
round,
thethe
die
the
shape
die
shape
factor
factor
issección
isLisless
de
forma
del
dado
menor
que
para
una
redonda
con
la
misma
superficie
de
su
than
for
a
round
of
the
same
cross-sectional
area,
meaning
that
greater
pressure
¼for
diefor
length,
mthe
(in).
For
shapes other
than
round,
the
die
shape
factor
is
than
a round
of
the
same
cross-sectional
area,
meaning
that
greater
pressure
is is
than
than
aopening
round
for
aachieve
round
of
thethe
ofsame
same
cross-sectional
area,
meaning
area,
meaning
that
greater
that
greater
pressure
pressure
is less
transversal,
lotoque
significa
que
secross-sectional
requiere
una presión
mayor
para
obtener
la misma
velocidad
required
same
flow
rate.
than
for
a
round
of
the
same
cross-sectional
area,
meaning
that
greater
pressure
is
required
to achieve
same
flow
rate.
required
required
to
achieve
to achieve
thethe
same
the
flow
same
rate.
flow
rate.
de flujo.
and
p
in
Eq.
(8.16)
is
called
the
die
characteristic.
In
The
relationship
between
Q
x
required
to
achieve
the
same
flow
rate.
and
pEq.
inpEq.
(8.16)
is called
the
die
characteristic.
The
relationship
between
Q
xQ
and
px in
and
in
(8.16)
(8.16)
is called
iscaracterística
called
the
diethe
the
characteristic.
die
In laIn In
The
relationship
The
relationship
between
between
x straight
en
(8.16)
seEq.
denomina
delcharacteristic.
dado.extruder
En
La
relación
entre
Figure
8.7,
this
isQ
drawn
aslaQ
aecuación
line
that
intersects
with
previous
x y p
and
p
in
Eq.
(8.16)
is
called
the
die
characteristic.
In
The
relationship
between
Q
Figure
8.7,
this
is
drawn
as
a
straight
line
that
intersects
with
the
previous
extruder
x
Figure
Figure
8.7,aparece
this
8.7,iscomo
this
drawn
is
drawn
aslínea
a straight
as
a straight
line
lineintersects
thatcon
intersects
the
with
previous
the
previous
extruder
extruder
figura
8.7
una
recta,
que
sethat
interseca
la with
característica
del
extrusor
anteand
p
that
are
known
as
characteristic.
The
intersection
point
identifies
the
values
of
Q
x
Figure
8.7,
this
is
drawn
as
a
straight
line
that
intersects
with
the
previous
extruder
and
p that
are
known
characteristic.
The
intersection
point
identifies
the
values
of Q
px that
and
p
are
that
known
are
known
asdeas as
characteristic.
The
intersection
The
intersection
point
identifies
point
identifies
thede
values
of
Q
ofx conocen
Q
x and
rior.the
Elcharacteristic.
punto de
intersección
identifica
los valores
Qthe
y values
p que
se
como
punto
operating
point
for
the
extrusion
process.
xvalues
and
p
that
are
known
as
characteristic.
The
intersection
point
identifies
the
of
Q
the
operating
point
for
the
extrusion
process.
x
the
operating
the operating
for
point
the
extrusion
the extrusion
process.
process.
operación
parapoint
el proceso
defor
extrusión.
the operating point for the extrusion process.
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C08C08
158 158
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158
C08
C08
08/02/2011
10:13:20
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158
8.2 Extrusión 153
Chapter
8/Shaping
Processes
Plastics
158158
8/Shaping
Processes
for for
Plastics
158 Chapter
Chapter
8/Shaping
Processes
for Plastics
158
Chapter 8/Shaping Processes for Plastics
Consider
the
extruder
from
Example
8.1,
in which
D75
¼ mm,
75 mm,
L ¼ 1.9
m,
N ¼rev/s,
1 rev/s,
Example
8.2 8/Shaping
158
Chapter
8/Shaping
Processes
for
Plastics
158
158
Chapter
Chapter
Processes
Processes
for
Plastics
Plastics
Consider
the
extruder
Example
in D
which
¼
L
N
Example
8.2
Ejemplo
8.2
Considere
elfor
extrusor
delfrom
ejemplo
8.1,
en8.1,
el que
75Dmm,
m,¼NL1.9
=
rev/s,
Consider
the
extruder
from
Example
8.1,
in=which
DL¼=
751.9mm,
¼1m,
1.9
m,¼dNc1=
¼ 61 mm
rev/s,
Example
8.2 8/Shaping
�20��.Example
¼
6
mm,
and
A
¼
The
plastic
melt
has
a
shear
viscosity
h
¼
100
Pa-s.
Determine
d
Consider
the
extruder
from
8.1,
in
which
D
¼
75
mm,
L
¼
1.9
m,
N
¼
1
rev/s,
Example
8.2
Extruder
and
Die
c
¼
6
mm,
and
A
¼
20
.
The
plastic
melt
has
a
shear
viscosity
h
¼
100
Pa-s.
Determine
d
Extruder
and
Die
c
y
A
=
20°.
El
plástico
fundido
tiene
una
viscosidad
de
corte
η
=
100
Pa-s.
Determine:
a)
Q
y
Características
del
¼
6
mm,
and
A
¼
20
.
The
plastic
melt
has
a
shear
viscosity
h
¼
100
Pa-s.
Determine
d
máx
Extruder
and
Die d ¼(a)
and
p¼
, �(b)
shape
factor
K
for
circular
die
opening
in
which
D
¼
mm
Qmax
¼116.5
6cmax
mm,
and
Aextruder
20
. from
The
plastic
melt
has
aawhich
shear
viscosity
hmm,
¼in
100
Determine
Extruder
and
Diedado
Characteristics
Consider
the
extruder
from
Example
in
whichde
Ddado
¼75
75
¼Pa-s.
1.9
m,
N
1mm
rev/s,
max
s8.1,
d¼
c Consider
Example
8.2
Consider
the
the
extruder
from
Example
Example
8.1,
8.1,
in
in
which
D
D
¼
¼
75
mm,
mm,
L
LLwhich
¼
¼
1.9
1.9
m,
m,
N
N
¼
rev/s,
rev/s,
and
p
,
(b)
shape
factor
K
for
a
circular
die
opening
D
¼
6.5
(a)
Q
Example
Example
8.2
8.2
Characteristics
max
s
d
p
,
b)
el
factor
de
forma
K
para
una
abertura
circular
en
el
que
D
=
6.5
mm
y
L
=
extrusor
y
del
and
p
,
(b)
shape
factor
K
for
a
circular
die
opening
in
which
D
¼
6.5
mm
(a)
Q
máx
s
d
d
Characteristics
max
max
s
d
� factor
��(c)
¼p20
mm,
and
values
Q
at
the
operating
point.
and
,A
(b)
shape
die
opening
in
which
D
6.5
mm
6and
and
A¼¼¼
20
.yThe
The
plastic
melt
has
shear
viscosity
100Pa-s.
Pa-s.
Determine
dmm,
xa and
Characteristics
cL
max
max
soffor
d ¼Determine
Extruderand
andDie
Die (a)
¼¼
6L
mm,
mm,
and
and
A
20
20
The
plastic
plastic
melt
has
has
aaathe
shear
shear
viscosity
viscosity
hhh¼
¼¼100
100
Pa-s.
Determine
¼
20
and
(c)
of
Q
and
p
atp
operating
point.
and
Extruder
Extruder
and
Die
cd
cc¼
d6y
xmelt
20ddQ
mm
c)
losmm,
valores
de
Q. .values
p en
elKpunto
decircular
operación.
and
L
d ¼ 20 mm, and x(c) values of Qx and p at the operating point.
¼
20
mm,
and
(c)
values
of
Q
and
p
at
the
operating
point.
and
L
and
p
,
(b)
shape
factor
K
for
a
circular
die
opening
in
which
D
¼
6.5mm
mm
(a)
Q
max
max
s
d
d
x
Characteristics
and
and
p
p
,
,
(b)
(b)
shape
shape
factor
factor
K
K
for
for
a
a
circular
circular
die
die
opening
opening
in
in
which
which
D
D
¼
¼
6.5
6.5
mm
(a)
(a)
Q
Q
max
max
s
d
Characteristics
Characteristics
max
max
max
max
ss(8.14).
dd
is given
Eq.
Solution:
(a)
Qmax
is
given
bylaby
Eq.
(8.14).
Solution:
(a)
Q
Solución:
a)
Q
está
dado
por
ecuación
(8.14).
max
is
given
by
Eq.
(8.14).
Solution:
(a)
Q
máx
¼
20
mm,
and
(c)
values
of
Q
and
p
at
the
operating
point.
and
L
d
x
max
20
20Q
mm,
mm,
and
and (c)
(c) values
values of
of Q
Qxxxand
and pp at
at the
the operating
operating point.
point.
and
and LLddd¼¼(a)
Solution:
max is given by Eq. (8.14).
�3 2
�3
2 2
2
2
�3
2
2
2
¼
0:5p
D
Nd
sinA
cosA
¼
0:5
p
ð75
�
10
Þ
ð1:0Þð6
��3
10Þðsin
Þðsin
20Þðcos
Q
is
given
by
Eq.
(8.14).
Solution:
(a)
Q
c AcosA
max
2
�3
2is
sen
2max
2 � 10 Þ �3
is
given
given
by
bycosA
Eq.
Eq.
(8.14).
(8.14).
Solution:
(a)
(a)
Q
Q
QSolution:
¼ ¼
0:5p
D
Nd
sinA
¼
0:5
p
ð75
ð1:0Þð6
� 10
20Þðcos
20Þ20Þ
sen
cos
A
=
cNd
max
max
máx
max
0:5p
D
sinA
¼
0:5
p
ð75
�
10
Þ
ð1:0Þð6
�
10
Þðsin
20Þðcos
20Þ
Qmax
�9
2
�3
�3
2
3
c
2
2
�9c sinA
3
Þ
m
=s
53;525ð10
¼¼ ¼
0:5p
D
Nd
cosA
¼
0:5
p
ð75
�
10
Þ
ð1:0Þð6
�
10
Þðsin
20Þðcos
20Þ
Qmax max
�9 =s 3
Þm
53;525ð10
Þ
m
=s
¼
53;525ð10
�9
�3
�3
2
3
2
2
2
�3
�3 2Þ2 ð1:0Þð6 � 10
�3 Þðsin 20Þðcos 20Þ
22 D
ÞNd
mccsinA
¼ ¼¼
53;525ð10
0:5p
Nd
sinAcosA
cosA¼¼¼0:5
0:5pp2p2ð75
ð75���10
10
Qmax
c=s
0:5p
0:5p
D
D22Nd
sinA
cosA
0:5
ð75
10
ÞÞ ð1:0Þð6
ð1:0Þð6��10
10�3
Þðsin
Þðsin20Þðcos
20Þðcos20Þ
20Þ
Q
Q
max
max ¼
�9 (8.15).
3
p
is
given
by
Eq.
(8.15).
p
está
dado
por
la
ecuación
�9
�9
max
3
3
¼
53;525ð10
Þ
m
=s
máx
pmaxp is given
by
Eq.
(8.15).
¼
¼
53;525ð10
53;525ð10
Þ
Þ
m
m
=s
=s
is
given
by
Eq.
(8.15).
pmax ismax
given by Eq. (8.15).
�3
cot A6pð75
cot 20
6pDNLhcotA
6pð75
��3
10Þð1:9Þð1:0Þð100Þcot20
p
given
by
Eq.(8.15).
(8.15).
max
�3Þð1:9Þð1:0Þð100Þcot20
6pDNLhcotA
� 10
ppmax
isisgiven
by
Eq.
Eq.
(8.15).
maxis
max
pgiven
¼by
¼ 6pð75
¼ 20;499;874
6pDNLhcotA
�
�3 10 Þð1:9Þð1:0Þð100Þcot20
máx
max
¼
¼
¼ 20;499;874
Pa Pa
pmax
2
6pDNLhcotA
6pð75
¼ d2 dc2
¼ � 10 Þð1:9Þð1:0Þð100Þcot20
¼ 20;499;874
Pa
pmax
2�3 Þ22
�3
ð6
�
10
�3
ð6
�
10
Þ
¼
¼
20;499;874
Pa
pmax ¼
c dc
�3
ð6Þð1:9Þð1:0Þð100Þcot20
�
Þ
�3
�3
�3 10
6pDNLhcotA
6pð75���10
10
d2c
6pDNLhcotA
6pð75
10
Þð1:9Þð1:0Þð100Þcot20
Þð1:9Þð1:0Þð100Þcot20
ð6
�
10
Þ2
¼6pð75
20;499;874Pa
Pa
pmax¼¼¼6pDNLhcotA
¼
¼
¼¼¼20;499;874
20;499;874
Pa
p
p
2
�3
max
max values define
These
two
the
intersection
with
the
ordinate
and
abscissa
for
the
extruder
2d2 the
2Þy
22 la and
�3
�3
Estos
dos
valores
definen
la
intersección
con
la
ordenada
abscisa
para
la
característica
del
These
two
values
define
intersection
with
the
ordinate
abscissa
for
the
extruder
ð6
�
10
d
d
ð6
ð6
�
�
10
10
Þ
Þ
c
These two values define
the intersection with the ordinate and abscissa for the extruder
cc
characteristic.
These
two
values
define
the
intersection
with
the
ordinate
and
abscissa
for
the
extruder
extrusor.
characteristic.
characteristic.
¼abscissa
6.5
mm
and
L
¼
20 mm
(b)
factor
for
a circular
die
opening
with
D
characteristic.
These
twoThe
values
define
the
intersection
with
thedado
ordinate
abscissa
the
extruder
d=
dextruder
b)(b)
Eltwo
factor
deshape
forma
para
una
abertura
circular
de
con
6.5
mm
yfor
Lfor
=
mm,
se
These
These
two
values
values
define
define
the
the
intersection
intersection
with
with
the
the
ordinate
ordinate
and
abscissa
for
the
extruder
¼
6.5
mm
and
Ld the
¼20
20
mm
The
shape
factor
for
afor
circular
die
opening
with
DdDand
dand
d
(b)
The
shape
factor
a circular
die
opening
with
D
d ¼ 6.5 mm and Ld ¼ 20 mm
can
be
determined
from
Eq.
(8.17).
¼
6.5
mm
and
L
¼
20
mm
(b)
The
shape
factor
for
a
circular
die
opening
with
D
characteristic.
d
d
puede
determinar
a
partir
de
la
ecuación
(8.17).
characteristic.
characteristic.
can
be
determined
from
Eq.
(8.17).
can be determined from Eq. (8.17).
can be determined
from
Eq. for
(8.17).
6.5mm
mmand
andLLL
20mm
mm
(b)The
Theshape
shape
factor
foraaacircular
circular
die
openingwith
withD
D
d
d
4opening
¼¼¼6.5
6.5
mm
and
¼¼¼20
20
mm
(b)
(b)
The
shape
factor
factor
for
circular
die
opening
with
D
ddd
ddd
4�3
pð6:5
��3
10Þdie
�12
�3Þ 4
5
pð6:5
�
10
can
be
determined
from
Eq.
(8.17).
�12
5
¼ 21:9ð10Þ�12
m 5=Ns
K
pð6:5 �
10 Þ �3
s ¼
can
can be
be determined
determined
Eq.
Eq. (8.17).
(8.17).
¼Þ21:9ð10
¼
m5ÞÞ =Ns
Kfrom
sfrom
� 10�3 Þ4��3
m =Ns
K ¼pð6:5
¼ 21:9ð10
�12
128ð100Þð20
10޼�3
� 10
21:9ð10
Þ
m
=Ns
Ks ¼ s128ð100Þð20
4
�3
128ð100Þð20
�
10
Þ
�34Þ4
�3
�3
pð6:5
�
10
128ð100Þð20
pð6:5
pð6:5��10
10 ÞÞ
�12
�12
�12
555 =Ns
21:9ð10
¼ the
m
This
shape
factor
defines
slope
of the
die
characteristic.
¼¼¼
21:9ð10
21:9ð10
¼
ÞÞÞm
m
=Ns
=Ns
KKK
s ss¼
This
shape
factor
defines
the
slope
of the
die
characteristic.
�3
�3
�3
This
shape
factor
defines
the
slope
of
the
die
characteristic.
128ð100Þð20
�
10
Þ
128ð100Þð20
128ð100Þð20
�
�
10
10
Þ
Þ
and
at which
screw
(c)
The
operating
point
is
defined
by
the
values
of
Q
This
factor
defines
the
slope
of
the
die
characteristic.
Esteshape
factor
de
forma
define
la
pendiente
de
la
característica
del
dado.
x
p atppwhich
thethe
screw
(c) (c)
TheThe
operating
point
is defined
by the
values
of Q
at which
the
screw
operating
point
is defined
by the
values
ofx and
Qx and
characteristic
intersects
with
the
die
characteristic.
The
extruder
characteristic
can
and
p
at
which
the
screw
(c)
The
operating
point
is
defined
by
the
values
of
Q
c)
El
punto
de
operación
está
definido
por
los
valores
de
Q
y
p,
en
los
que
la
característica
This
shape
factor
defines
the
slope
of
the
die
characteristic.
This
This
shape
shape factor
factor
defines
defines
the
slope
of
of the
the die
die characteristic.
characteristic.
xx
characteristic
intersects
withthe
theslope
die die
characteristic.
TheThe
extruder
characteristic
can can
be be
characteristic
intersects
with
the
characteristic.
extruder
characteristic
be
and
, which
which
is screw
as operating
the
equation
ofdado.
the
straight
line
QQ
and
at
the
screw
(c)
The
operating
point
isdefined
defined
by
thebetween
values
of
Q
characteristic
intersects
with
the
die
characteristic.
The
extruder
characteristic
can
be
delexpressed
tornillo
se
interseca
con
la
del
La característica
del Q
tornillo
se
expresa
como
lathe
ecuación
max
max
xand
and
ppppat
which
which
the
screw
(c)
(c)
The
The
point
point
defined
by
by
the
the
values
values
of
of
and
pmax
,at
which
is
expressed
as
the
equation
of
the
straight
line
between
xxx
max
expressed
as operating
the
equation
ofisis
the
straight
line
between
QQ
max and pmax, which is
characteristic
intersects
the
diecharacteristic.
characteristic.
The
extruder
canbe
be
and pmax
,characteristic
which is can
expressed
theentre
equation
the,the
straight
line betweenThe
Q
decharacteristic
la
líneaas
recta
Qmáx yof
pwith
que
es
max
máx
characteristic
intersects
intersects
with
with
the
die
die
characteristic.
The
extruder
extruder
characteristic
characteristic
can
be
Q¼x Q
¼ Qas
� ðQ
=pmax
Þpthe straight line between Qmax and pmax, which is
max
max
expressed
the
equation
of
Q
�
ðQ
=p
Þp
maxand
max
and ppmax
, , which
which isis
expressed
expressed
as
asmax
the
the�
equation
equation
of the
the
straight line
line between
between Q
Qmax
x Q ¼max
max
Q
ðQmaxmax
=pof
Þp straight
max
max
� ðQmax
=pmax
Þpmax
Qx ¼ xQmax
�9
�9
máx
máx
máx
�9 �9
�9
�9
�12 �12
Þ
�
ð53;
525ð10
Þ=20;
499;
874Þp
¼
53;
525ð10
Þ
�
2:611ð10
¼
53;
525ð10
�9 ð53; 525ð10 Þ=20;
�9 499; 874Þp ¼ 53; 525ð10 Þ �
�9 2:611ð10
�12Þp
Þ�
Þp
¼ 53;
525ð10
Þ
�
ð53;
525ð10
Þ=20;
499;
874Þp
¼
53;
525ð10
Þ
�
2:611ð10
Þp
¼
53;
525ð10
Q
¼
Q
�
ðQ
=p
Þp
�9
�9
�9
�12
x
max
max
max
Q
Q
¼
¼
Q
Q
�
�
ðQ
ðQ
=p
=p
Þp
Þp
xx 53;
max
max
max
max
53 525
53max
525
20 499
53 525
Þ max
�
ð53;
525ð10 Þ=20;
499;874
874Þp ¼ 53;
525ð10 Þ � 2:611ð10 Þp(8.18)
¼
525ð10
(8.18)
�9
�9
�9
�12
(8.18)
�9
�9 Þ � ð53; 525ð10
�9 Þ=20; 499; 874Þp ¼ 53; 525ð10
�9 Þ � 2:611ð10
�12
�12
Þp
53;525ð10
525ð10
(8.18)
ÞÞ��ð53;
ð53;525ð10
525ð10�9
Þ=20;
Þ=20;499;
499;874Þp
874Þp¼¼53;
53;525ð10
525ð10�9
ÞÞ��2:611ð10
2:611ð10
Þp
Þp
¼¼¼53;
53;
525ð10
in part
(b).
characteristic
is given
Eq.
(8.16)
using
value
of K
s computed
in part
(b).
TheThe
die die
characteristic
is given
by by
Eq.
(8.16)
using
thethe
value
of K
(8.18)
(8.18)
(8.18)
in part
(b).
The
die
characteristic
is given
by Eq.
(8.16)
using
the
value
ofs computed
Ks computed
The
die
characteristic
is
given
by
Eq.
(8.16)
using
the
value
of
K
computed
in
part
(b).
La característica del dado está dada por la ecuación (8.16),
con els uso del valor de Ks, que se
�12
�12 �12
Q(8.16)
¼ 21:9ð10
Þp
computedin
part(b).
(b).
Thedie
diecharacteristic
characteristic
givenby
byQ
Eq.
using
the
valueof
ofKKK
x(8.16)
scomputed
calculó
en
el
inciso b). isisisgiven
21:9ð10
Þp
ininpart
part
(b).
The
The
die
characteristic
given
by
Eq.
Eq.
using
using
the
the
value
value
of
ssscomputed
x ¼
Q(8.16)
Þp
�12
x ¼ 21:9ð10
Qx ¼ 21:9ð10
Þp
�12
Setting
equations
equal,
we
have
�12
�12
Qx¼
¼21:9ð10
21:9ð10
Þp Setting
thethe
twotwo
equations
equal,
weQ
have
Q
21:9ð10
Þp
Þp
Setting
the
two
equations
equal,
we
have
xx ¼
Setting the two equations equal, we have
�9 �9
�12 �12
�12 �12
525ð10
Þwe
�have
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AND
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8.2.3 Configuraciones
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We
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154 CAPÍTULO 8 Procesos para dar forma a los plásticos
Placa rompedora
Cilindro extrusor
Entrada convergente del dado
Dado
Anillo de sujeción
Dado de extrusión
Perfil de la extrusión
Paquete de filtrado
Tamaño de la abertura
del dado (Dd para la
forma redonda)
Dirección de
flujo del fundido
a)
Longitud de la
Polímero fundido abertura del dado, Ld
b)
FIGURA 8.8 a) Vista lateral de la sección transversal de un dado de extrusión para formas sólidas regulares, como cilindros; b) vista
frontal del dado, con el perfil del extruido. En ambas vistas es evidente la dilatación del dado. (Por claridad, se omiten o simplifican algunos detalles de construcción del dado.) (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso
con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)
1) perfiles sólidos; 2) perfiles huecos, como tubos; 3) recubrimientos de alambre y cable; 4) lámina y película, y 5) filamentos. Las tres primeras categorías se estudian en la presente sección.
Los métodos para producir lámina y película se examinan en la sección 8.3; y la producción de
filamento, en la 8.4. En ocasiones, estas últimas formas involucran procesos de formado adicionales a la extrusión.
Perfiles sólidos Los perfiles sólidos incluyen formas regulares como círculos, cuadrados y
secciones transversales como formas estructurales, molduras para puertas y ventanas, y accesorios para automóviles y viviendas. La sección trasversal de la vista lateral de un dado para estas
formas sólidas se ilustra en la figura 8.8. Justo más allá del extremo del tornillo y antes del dado,
el polímero fundido pasa a través del paquete de filtrado y una placa rompedora para fortalecer
las líneas de flujo. Después fluye hacia la entrada (por lo general) convergente del dado, cuya
forma está diseñada para mantener un flujo laminar y evitar puntos muertos en las esquinas que
de otro modo estarían presentes cerca del orificio. Después, el fundido avanza a través de la abertura misma del dado.
Cuando el material sale del dado, todavía está suave. Los polímeros con viscosidades de
fundido altas son los mejores candidatos para la extrusión, ya que adoptan su mejor forma durante el enfriamiento. Éste se lleva a cabo por medio del soplo de aire, el rocío de agua, o al pasar el
extruido a través de un conducto de agua. Para compensar la dilatación del dado, la abertura de
éste se hace lo suficientemente larga para eliminar algo de la memoria del polímero fundido.
Además, el extruido se suele extraer (estirar) para evitar la dilatación del dado.
Para formas distintas a la redonda, la abertura del dado se diseña con una sección transversal
que es ligeramente distinta del perfil que se desea, por lo que el efecto de la dilatación del dado
es corregir la forma. En la figura 8.9 se ilustra dicha corrección para una sección transversal cuadrada. Debido a que polímeros diferentes presentan grados distintos de dilatación del dado, la
forma de éste depende del material por extruir. Se requieren habilidad y criterio considerables por
parte del diseñador de dados para obtener secciones transversales complejas.
Perfiles huecos La extrusión de perfiles huecos, como tubos, tuberías, mangueras, y otras
secciones transversales de formas similares, requieren un mandril para obtener la forma hueca.
En la figura 8.10 se presenta una configuración común del dado. El mandril es mantenido en su
lugar con el empleo de una araña, que se aprecia en la sección A-A de la figura. El polímero
fundido fluye alrededor de las patas que soportan al mandril para reunirse en una pared de tubo
monolítica. Es frecuente que el mandril incluya un canal a través del cual se inyecta aire para
mantener la forma hueca del extruido mientras se endurece. Las tuberías y los tubos se enfrían
por medio de canales (cubas) de agua abiertos o jalando el extruido suave a través de un tanque
8.2 Extrusión 155
FIGURA 8.9 a) Sección transversal del
dado que muestra el perfil del orificio requerido que se desea obtener b) un perfil
cuadrado extruido. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de
Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con
autorización de John Wiley & Sons, Inc.)
b)
a)
lleno de agua con mangas calibradoras que limitan el diámetro exterior del tubo mientras se mantiene la presión del aire en el interior.
Recubrimiento de alambre y cable El recubrimiento de alambre y cable para aislamiento es
uno de los procesos de extrusión de polímeros más importantes. Como se aprecia en la figura
8.11, para recubrir alambre se aplica el polímero fundido a éste conforme se tira de él a alta velocidad a través de un dado. Se crea un vacío ligero entre el alambre y el polímero para facilitar
la adhesión del recubrimiento. El alambre tenso provee rigidez durante el enfriamiento, a lo que,
por lo general, se contribuye haciendo pasar el alambre recubierto a través de una cuba de agua.
El producto se enrolla en carretes grandes a velocidades de hasta 50 m/s (10 000 pies/min).
8.2.4
Defectos de la extrusión
Los productos extruidos presentan varios defectos. Uno de los peores es la fractura del fundido,
en la que los esfuerzos que actúan sobre el fundido inmediatamente antes y durante su paso a
Placa rompedora
Polímero fundido
Cilindro extrusor
Sección A-A
A
B
Paquete de filtrado
Dirección de
flujo del fundido
Sección
B-B
Patas de araña (3)
v
B
Pata de araña (3)
Mandril
Canal de aire
A
Entrada de aire
FIGURA 8.10 Sección transversal de la vista lateral de un dado de extrusión para dar forma a secciones transversales huecas, como
tubos y tuberías; la sección A-A es una sección transversal de la vista frontal que muestra la forma en que el mandril permanece en su
sitio; la sección B-B muestra la sección transversal tubular justo antes de salir del dado; la dilatación del dado ocasiona una dimensión
mayor del diámetro. (Se han simplificado algunos detalles de la construcción del dado.) (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)
156 CAPÍTULO 8 Procesos para dar forma a los plásticos
Dirección del flujo fundido
Paquete de filtrado
Cilindro extrusor vertical
FIGURA 8.11 Sección
transversal de la vista latePlaca rompedora
ral del dado para recubrir
conductores eléctricos por
Tubo central
medio de extrusión. (Se
simplificaron algunos deta- Entrada del alambre
lles de la construcción del
desnudo
dado.) (Crédito: Fundamenv
tals of Modern ManufactuSello del vacío
ring, 4a. ed., de Mikell P.
Groover, 2010. Reimpreso
con autorización de John
Wiley & Sons, Inc.)
Extracción parcial del vacío
Polímero fundido
Secciones del dado
Salida del alambre recubierto
v
través del dado son tan grandes que ocasionan una falla, que se manifiesta en forma de la superficie muy irregular del extruido. Como se sugiere en la figura 8.12, la fractura del fundido puede
ser ocasionada por una reducción brusca de la entrada del dado, lo que provoca un flujo turbulento que rompe el fundido. Esto contrasta con las líneas de corriente del flujo laminar en el dado
que converge en forma gradual de la figura 8.8.
Un defecto más común de la extrusión es la piel de tiburón, en la que la superficie del producto se arruga al salir del dado. Conforme el fundido fluye a través de la abertura del dado, la
fricción en la interfase ocasiona un perfil de velocidad a través de la sección transversal, como se
ve en la figura 8.13. Los esfuerzos de tensión aparecen en la superficie al estirarse este material
para estar a la par con el núcleo central que se mueve más rápido. Estos esfuerzos ocasionan
rupturas menores que arrugan la superficie. Si el gradiente de velocidad se vuelve extremo, aparecen marcas prominentes en la superficie, lo que le da el aspecto de una caña de bambú; de ahí
el nombre de bambú para este defecto más severo.
8.3
Producción de láminas y película
Las láminas (hojas) y películas de polímeros termoplásticos se producen por medio de varios
procesos; los más importantes son dos métodos que se basan en la extrusión. El término lámina
Extruido
Dirección del flujo fundido
v
FIGURA 8.12 Fractura del fundido, ocasionada por el flujo turbulento del líquido a través de una entrada del dado que se reduce en forma abrupta. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed.,
de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)
8.3
Dirección del
flujo fundido
v
Producción de láminas y película 157
v
a)
b)
FIGURA 8.13 a) Perfil de velocidad del fundido conforme pasa a través de la abertura del dado, lo que lleva a defectos llamados piel
de tiburón y b) bambú. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)
se refiere a material cuyo espesor es de 0.5 mm (0.020 pulg) a alrededor de 12.5 mm (0.5 pulg),
y se usa para productos como recubrimientos para ventanas y materiales para termoformados
(sección 8.9). El término película se refiere a espesores por debajo de 0.5 mm (0.020 pulg). Las
películas delgadas se usan para empacar (material para envolver productos, bolsas para abarrotes
y basura); las aplicaciones de película más gruesa incluyen cubiertas y forros (cubiertas para albercas y para canales de irrigación).
Todos los procesos que se estudian en esta sección son operaciones continuas de producción
elevada. Más de la mitad de las películas que se producen hoy día son de polietileno, la mayor
parte PE de baja densidad. Los demás materiales principales son el polipropileno, cloruro de
polivinilo y celulosa regenerada (celofán). Todos éstos son polímeros termoplásticos.
Se producen láminas y películas de espesores diversos por medio de extrusión convencional, con el uso de una rendija angosta como
abertura del dado. Ésta puede medir hasta 3 m (10 pies) de ancho y ser tan angosta como 0.4 mm
(0.015 pulg). En la figura 8.14 se ilustra una configuración posible del dado. Éste incluye un
distribuidor, el polímero en forma lateral antes de que fluya a través de la rendija (el orificio del
dado). Una de las dificultades de este método de extrusión es la uniformidad del espesor a todo
lo ancho del material. Esto se debe al cambio drástico de forma que experimenta el polímero
fundido durante su flujo a través del dado, y a las variaciones de la temperatura y presión en el
Extrusión de lámina y película con dado de rendija
Sección A-A
Dirección del flujo fundido
A
B
Sección B-B
Distribuidor
Distribuidor
Rendija
del dado
Película
extruida
v
v
F
F
A
v
B
F
F
F
FIGURA 8.14 Una de varias configuraciones de dado para extruir láminas y películas. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John
Wiley & Sons, Inc.)
158 CAPÍTULO 8 Procesos para dar forma a los plásticos
Cilindro extrusor
Rendija del dado
Cilindro extrusor
Rendija del dado
Al secado y enrollado
Película extruida
Al enrollado
v
v
Rodillos
enfriadores
Inmersión súbita en agua
Película
a)
b)
FIGURA 8.15 Uso de a) un baño de temple en agua o b) rodillos fríos, para lograr la solidificación rápida de la película fundida después de la extrusión. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización
de John Wiley & Sons, Inc.)
dado. Por lo general, los bordes de la película deben recortarse debido al engrosamiento que ahí
ocurre.
Para lograr tasas altas de producción, debe integrarse al proceso de extrusión un método
eficiente de enfriamiento y recolección de la película. Por lo general, esto se hace dirigiendo de
inmediato el material extruido hacia un baño de temple en agua o hacia rodillos enfriadores (refrigerantes), como se muestra en la figura 8.15. El método de los rodillos enfriadores parece tener
más importancia comercial. En contacto con los rodillos refrigerantes, el extruido se enfría y
solidifica con rapidez; en efecto, el extrusor sirve como dispositivo alimentador para los rodillos
enfriadores que en realidad dan forma a la película. El proceso es notable por sus velocidades
muy altas de producción, 5 m/s (1 000 pies/min). Además, es posible alcanzar tolerancias estrechas para el espesor de la película. Debido al método de enfriamiento que se usa en este proceso,
se le conoce como extrusión con rodillo refrigerante.
Proceso de extrusión de película soplada Éste es el otro proceso muy usado para hacer película delgada de polietileno para empaque. Es un proceso complejo que combina la extrusión y el
soplado para producir un tubo de película delgada; se explica mejor con referencia al diagrama
de la figura 8.16. El proceso comienza con la extrusión de un tubo que se jala de inmediato hacia
arriba mientras aún está fundido, y se expande en forma simultánea por medio de aire que entra
a su interior a través del mandril del dado. Una “línea de congelación” marca la posición en que
ocurre la solidificación del polímero de la burbuja que asciende. La presión del aire en la burbuja
debe permanecer constante para mantener uniforme el espesor de la película y el diámetro del
tubo. El aire es contenido en el tubo por medio de rodillos de presión que comprimen al tubo una
vez que se ha enfriado. Los rodillos guía y los de compresión o aplanado también se utilizan
para fijar el tubo soplado y dirigirlo hacia los rodillos de compresión. Luego se colecta el tubo
plano en un carrete.
El efecto del inflado por aire es estirar la película en ambas direcciones conforme se enfría
desde su estado fundido. Esto da como resultado propiedades isotrópicas de resistencia, lo que es
una ventaja sobre otros procesos en los que el material primero se estira en una dirección. Otras
ventajas incluyen la facilidad con la que pueden cambiarse la velocidad de extrusión y la presión
del aire para controlar el ancho y espesor del material. Si se compara este proceso con la extrusión por dado de rendija, el método de la película soplada produce una película más resistente (de
modo que puede usarse una película más delgada para empacar un producto), pero el control del
espesor y las tasas de producción son menores. La película soplada final puede almacenarse en
forma tubular (por ejemplo, para bolsas de basura), o cortarse después por las orillas a fin de
obtener dos películas delgadas paralelas.
Calandrado Éste es un proceso para producir láminas y películas a partir de hule (sección 9.14)
o termoplásticos ahulados como el PVC plastificado. En el proceso, el material inicial pasa por
8.4
Producción de fibras y filamentos (hilado) 159
Rodillos
de presión
Rodillos aplanadores
(de compresión)
Al carrete de enrollado
Rodillos de guía
Línea de solidificación
Película plástica soplada
FIGURA 8.16 Proceso
de película soplada para la
producción a gran escala de
película tubular delgada.
(Crédito: Fundamentals of
Modern Manufacturing, 4a.
ed., de Mikell P. Groover,
2010. Reimpreso con autorización de John Wiley &
Sons, Inc.)
Dado de tubo
Extrusor
Entrada de aire
una serie de rodillos que lo trabajan y reducen su espesor a la medida deseada. En la figura 8.17
se presenta un arreglo común. El equipo es caro, pero la tasa de producción es alta; es posible
alcanzar velocidades que se acercan a 2.5 m/s (500 pies/min). Se requieren controles precisos de
las temperaturas, presiones y velocidad rotacional de los rodillos. El proceso es notable por el
buen acabado superficial y alta precisión en las medidas de la película. Los productos de plástico
elaborados con el proceso de calandrado incluyen cubiertas de PVC para pisos, cortinas para
baño, manteles de vinilo, cubiertas para albercas, lanchas y juguetes inflables.
8.4 Producción de fibras y filamentos (hilado)
La aplicación más importante de las fibras y filamentos se da en los textiles. Su uso como materiales de refuerzo de los plásticos (compósitos) es una aplicación que va en aumento, pero aún es
pequeña en comparación con los textiles. Una fibra se define como una hebra larga y delgada de
material cuya longitud es finita. Un filamento es una hebra de longitud continua.
Alimentación de material
FIGURA 8.17 Configuración común de
rodillos en el calandrado. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed.,
de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con
autorización de John Wiley & Sons, Inc.)
Material plano
(forma de lámina)
160 CAPÍTULO 8 Procesos para dar forma a los plásticos
Las fibras son naturales o sintéticas. Las sintéticas constituyen alrededor de 75% del mercado de fibras actual, de las que el poliéster es la más importante, seguido por las de nylon, acrílico
y rayón. Las fibras naturales constituyen cerca de 25% del total producido, con el algodón en el
lugar más importante, por mucho (la producción de lana es mucho menor que la de algodón).
El término hilado agrupa los métodos que se emplean para obtener y tejer las fibras naturales
en hilos o hilazas. En la producción de fibras sintéticas, el término se refiere al proceso de extruir
un polímero fundido o solución a través de una hilera (dado con muchos orificios pequeños)
para hacer los filamentos, los que luego se extraen y enrollan en una bobina. Hay tres principales
variantes en la torsión de fibras sintéticas, dependiendo del polímero que se procese: 1) hilado
fundido, 2) hilado seco y 3) hilado húmedo.
El hilado fundido se emplea cuando el polímero de inicio se procesa mejor si se calienta
hasta fundirlo y se bombea a través de la hilera, en forma muy parecida a la extrusión convencional. Una hilera común mide 6 mm (0.25 pulg) de espesor y contiene aproximadamente 50 orificios con diámetro de 0.25 mm (0.010 pulg); los orificios están dispuestos de tal modo que la
abertura resultante tiene una razón L/D de sólo 5/1 o menos. Los filamentos que salen del dado
se jalan y en forma simultánea se enfrían con aire antes de ponerlos juntos y enrollarlos en la
bobina, como se ilustra en la figura 8.18. Mientras el polímero aún se encuentra fundido, tiene
lugar una extensión y adelgazamiento significativos del filamento, de modo que el diámetro final
del que se enrolla en la bobina puede ser de sólo 1/10 del tamaño que se extruye. El hilado fundido se utiliza para el poliéster y nylon. Como éstas son las fibras sintéticas más importantes; el
hilado fundido es el más importante de los tres procesos para elaborar fibras sintéticas.
En el hilado seco, el polímero de inicio está en solución, y el solvente se separa por evaporación. El extruido se jala a través de una cámara caliente que elimina el solvente; por otro lado,
la secuencia es similar a la anterior. Las fibras de acetato de celulosa y acrílico se producen con
este proceso. En el hilado húmedo, el polímero también está en solución, sólo que el solvente no
es volátil. Para separar al polímero, debe pasarse al extruido a través de un producto químico líquido que coagula o precipita al polímero en hebras coherentes que luego se colocan en bobinas.
Este método se emplea para producir rayón (fibras de celulosa regeneradas).
Tolva de alimentación
Partículas de polímero
Unidad de calentamiento
Polímero fundido
Bomba
Hilera
Hilera
Región de extracción del fundido
Solidificación
Enfriamiento por aire
Acondicionamiento con vapor (humedad)
FIGURA 8.18 Hilado
fundido de filamentos continuos. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P.
Groover, 2010. Reimpreso
con autorización de John
Wiley & Sons, Inc.)
Rodillo de alimentación
Rodillo conductor del hilo
Bobina (extracción)
8.6
Moldeo por inyección 161
Los filamentos producidos con cualquiera de los tres procesos, por lo general están sujetos a un
estirado adicional en frío para alinear la estructura cristalina a lo largo de la dirección del eje del
filamento. Las extensiones típicas son de 2 a 8 [13]. Esto tiene el efecto de incrementar en forma
significativa la resistencia a la tensión de las fibras. El estirado se lleva a cabo jalando el hilo entre
dos carretes, de los que el que enrolla se mueve a velocidad mayor que el que se desenrolla.
8.5 Procesos de recubrimiento
El recubrimiento con plástico (o hule) involucra la aplicación de una capa del polímero dado
sobre un material que es el sustrato. Se distinguen tres categorías [6]: 1) recubrimiento de alambre y cable; 2) recubrimiento planar, que involucra recubrir una película plana, y 3) recubrimiento de contorno, que cubre un objeto tridimensional. Ya se estudió el recubrimiento de alambre y
cable (sección 8.2.3); se trata en lo básico de un proceso de extrusión. Las otras dos categorías se
analizan en los párrafos que siguen. Además, existe tecnología para aplicar pinturas, barnices,
lacas y otros recubrimientos similares (sección 21.6).
El recubrimiento planar se emplea para cubrir telas, papel, tableros y papel metálico; estos
artículos son productos principales para ciertos plásticos. Los polímeros importantes incluyen
polietileno y polipropileno, con aplicaciones menores para el nylon, PVC y poliéster. En la mayoría de casos, el recubrimiento mide sólo de 0.01 a 0.05 mm (0.0005 a 0.002 pulg) de espesor.
En la figura 8.19 se ilustran las dos técnicas principales de recubrimiento planar. En el método
del rodillo se exprime el material de polímero para recubrir, contra el sustrato, por medio de rodillos opuestos. Con el método del bisturí (doctor blade method, en inglés), un cuchillo afilado
controla la cantidad de polímero fundido con que se recubre al sustrato. En ambos casos, el material de recubrimiento se suministra ya sea con un proceso de extrusión con dado de rendija, o
por calandrado.
El recubrimiento de contorno de objetos tridimensionales se lleva a cabo por inmersión o
aspersión. La inmersión consiste en sumergir el objeto en un baño apropiado de polímero o solución fundidos, seguido de enfriamiento o secado. La aspersión (como la pintura por rociado) es
un método alternativo para aplicar recubrimiento de polímero a un objeto sólido.
8.6 Moldeo por inyección
El moldeo por inyección es un proceso con el que se calienta un polímero hasta que alcanza un
estado muy plástico y se le fuerza a que fluya a alta presión hacia la cavidad de un molde, donde
Suministro de polímero
Alimentación
v
Rodillos de presión
Material base
Suministro de polímero
v
Material base
Carrete de extracción
a)
Alimentación
Bisturí
Carrete de extracción
b)
FIGURA 8.19 Procesos de recubrimiento planar: a) método del rodillo y b) método del bisturí (Doctor blade en inglés). (Crédito:
Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)
162 CAPÍTULO 8 Procesos para dar forma a los plásticos
se solidifica. Entonces, la pieza moldeada, llamada moldeado, se retira de la cavidad. El proceso
produce componentes específicos o discretos que casi siempre son de forma neta. Es común que
el ciclo de producción dure de 10 a 30 segundos, aunque no son raros ciclos de un minuto o más
para las piezas grandes. Asimismo, el molde puede contener más de una cavidad, de modo que en
cada ciclo se producen varios moldeados o piezas moldeadas.
Es posible obtener formas complejas e intrincadas con el moldeo por inyección. El reto en
esos casos es fabricar un molde cuya cavidad tenga la misma forma que la pieza, y que también
permita el retiro de ésta. El tamaño de la pieza varía de alrededor de 50 g (2 oz) hasta 25 kg (más
de 50 libras), el límite superior está representado por componentes como puertas de refrigerador
y defensas de autos. El molde determina la forma y el tamaño de la pieza, y es la herramienta
especial en el moldeo por inyección. Para piezas complejas y grandes, el molde llega a costar
cientos de miles de dólares. Para piezas pequeñas, el molde se puede construir para que contenga
cavidades múltiples, lo que también hace que sea caro. Así, el moldeo por inyección es económico sólo para cantidades grandes de producción.
El moldeo por inyección es el proceso que más se usa para los termoplásticos. Algunos termofijos y elastómeros se moldean por inyección, con modificaciones en el equipo y parámetros
de operación, a fin de permitir el enlazamiento cruzado de estos materiales. En la sección 8.6.4
se estudian éstas y otras variaciones del moldeo por inyección.
8.6.1
Proceso y equipo
El equipo para moldeo por inyección evolucionó a partir de la fundición de metales en dados.
Como se ilustra en la figura 8.20, una máquina de moldeo por inyección consta de dos componentes principales: 1) la unidad de inyección de plástico y 2) la unidad de sujeción del molde. La
unidad de inyección es muy parecida a un extrusor. Consiste en un cilindro al que se alimenta
desde un extremo por una tolva que contiene un suministro de partículas (pellets) de plástico.
Dentro del cilindro hay un tornillo cuya operación sobrepasa la del tornillo extrusor en el siguiente aspecto: además de girar para mezclar y calentar el polímero, también actúa como un ariete que
se mueve con rapidez hacia adelante para inyectar plástico fundido al molde. Una válvula sin
retorno montada cerca de la punta del tornillo impide que el fundido fluya hacia atrás a lo largo
de la rosca del tornillo. En una etapa posterior del ciclo de moldeo, el ariete vuelve a su posición
original. Debido a su acción doble, se denomina tornillo reciprocante. En resumen, las funciones
Tolva de alimentación
Calentadores
Cilindro
Tornillo reciprocante
Cilindro para el tornillo-ariete
Placa estacionaria
Placa móvil
Molde
Barras tensoras (4)
Cilindro de
sujeción
Boquilla
Válvula de
Motor y engranes
no retorno
para la rotación del tornillo
Unidad de
inyección
Cilindro
hidráulico
Unidad de
sujeción
FIGURA 8.20 Diagrama de una máquina de moldeo por inyección, del tipo de tornillo reciprocante (se han simplificado algunos detalles mecánicos). (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de
John Wiley & Sons, Inc.)
8.6
Placa móvil
Cavidad
v
Moldeo por inyección 163
Polímero fundido
Válvula de no retorno
v, F
F
1)
2)
Etapa de solidificación
Polímero fundido nuevo, para el
disparo (inyección) siguiente
Moldeo
v
v
F
N
3)
4)
FIGURA 8.21 Ciclo común de moldeo: 1) molde cerrado, 2) se inyecta fluido a la cavidad, 3) se retrae el tornillo y 4) se abre el molde,
y la pieza se expulsa. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización
de John Wiley & Sons, Inc.)
de la unidad de inyección son fundir y homologar el polímero, y en seguida inyectar éste en la
cavidad del molde.
La unidad de sujeción se relaciona con la operación del molde. Sus funciones son 1) mantener las dos mitades del molde alineadas en forma correcta una con otra; 2) mantener cerrado al
molde durante la inyección, por medio de la aplicación de una fuerza que lo sujeta lo suficiente
para resistir la fuerza de inyección, y 3) abrir y cerrar el molde en los momentos apropiados del
ciclo de inyección. La unidad de sujeción consiste en dos placas, una fija y otra móvil, y un mecanismo para mover ésta. El mecanismo básicamente es una prensa de potencia que funciona por
medio de un pistón hidráulico o dispositivos de desplazamiento mecánico de varios tipos. Las
máquinas grandes disponen de fuerzas de sujeción de varios miles de toneladas.
El ciclo para el moldeo por inyección de un polímero termoplástico procede en la siguiente
secuencia, como se ilustra en la figura 8.21. La acción comienza con el molde abierto y la máquina lista para comenzar un nuevo moldeo: 1) el molde se cierra y se sujeta. 2) Se realiza un disparo
(inyección) de fundido a alta presión hacia la cavidad del molde, el cual se ha puesto a la temperatura y viscosidad correctas por medio de calor y trabajo mecánico del tornillo. El plástico se
enfría y comienza a solidificarse cuando se encuentra con la superficie fría del molde. Se mantiene
la presión del ariete a fin de comprimir más fundido en la cavidad para compensar la contracción
durante el enfriamiento. 3) El tornillo gira y se retrae con la válvula de no retorno abierta para
permitir que polímero nuevo fluya hacia la parte delantera del cilindro. Entre tanto, el polímero en
el molde se ha solidificado por completo. 4) El molde se abre, y la pieza se expulsa y retira.
8.6.2
El molde
Es la herramienta especial en el moldeo por inyección; está diseñado sobre medida y se fabrica
para la pieza específica que se ha de producir. Cuando termina la corrida de producción de esa
pieza, el molde se reemplaza por otro para la pieza siguiente. En esta sección se estudian varios
tipos de molde para inyección.
164 CAPÍTULO 8 Procesos para dar forma a los plásticos
Molde de dos placas En la figura 8.22 se ilustra el molde de dos placas convencional, que
consiste en dos mitades unidas a las dos placas de la unidad de sujeción de la máquina moldeadora. Cuando la unidad de sujeción se abre, también lo hacen las dos mitades del molde, como se
ilustra en b). El rasgo más notorio del molde es la cavidad, que por lo general se forma con la
extracción de metal de las superficies que se corresponden de las dos mitades. Los moldes pueden
tener una cavidad o varias, a fin de producir más de una pieza en un solo disparo. La figura muestra un molde con dos cavidades. Las superficies de separación (o línea de partición, en la vista
transversal del molde), son aquéllas donde el molde se abre para retirar la(s) pieza(s).
Además de la cavidad, hay otros rasgos del molde que desempeñan funciones indispensables
durante el ciclo del moldeo. Un molde debe tener canal de distribución por el que fluya el polímero fundido, de la boquilla del cilindro de inyección hacia la cavidad del molde. El canal distribuidor consiste en 1) un bebedero, que va de la boquilla al molde; 2) sistemas de alimentación,
que van de la toma a la cavidad (o cavidades), y 3) compuertas, que restringen el flujo del plástico hacia la cavidad. La constricción incrementa la velocidad de corte, con lo que se reduce la
viscosidad del polímero fundido. Hay una o más compuertas para cada cavidad del molde.
Es necesario un sistema de eyección para expulsar la pieza moldeada de la cavidad en el
extremo del ciclo de moldeo. Por lo general, son los pernos (pasadores) eyectores construidos en
la mitad móvil del molde los que llevan a cabo esta función. La cavidad está dividida entre las dos
mitades del molde de tal forma que la contracción natural del moldeo ocasiona que la pieza se
adhiera a la mitad móvil. Cuando el molde se abre, los pernos eyectores empujan la pieza fuera
de la cavidad del molde.
Se requiere un sistema de enfriamiento para el molde. Éste consiste en una bomba externa
conectada a pasajes en el molde, a través de los cuales circula agua para eliminar calor del plástico caliente. Debe evacuarse aire de la cavidad del molde conforme el polímero avanza. A través
de los claros pequeños de los eyectores del molde pasa gran cantidad de aire. Además, es frecuente que se maquinen conductos de aire (respiraderos) estrechos en la superficie de separación; de
alrededor de 0.03 mm (0.001 pulg) de profundidad y 12 a 25 mm (0.5 a 1.0 pulg) de ancho, estos
canales permiten que el aire escape hacia el exterior, pero son demasiado pequeños para que el
polímero fundido viscoso fluya a través de ellos.
En resumen, un molde consiste en 1) una o más cavidades que determinan la forma de la
pieza, 2) canales de distribución a través de los cuales el polímero fundido fluye a las cavidades,
Placa estacionaria
Canales de agua
Placa de apoyo (soporte)
Placa móvil
Caja del eyector
Pieza moldeada
(cavidad)
Placa del eyector
(también llamada
placa de golpeo)
Sistema de
alimentación
Boquilla
Bebedero
Placa del perno
(pasador) del eyector
Compuerta
Línea de partición
Extractor
del bebedero
Pernos eyectores
Cojinete
del bebedero
Pernos eyectores
a)
b)
FIGURA 8.22 Detalles de un molde de dos placas para molde por inyección de termoplásticos: a) cerrado y b) abierto. El molde tiene
dos cavidades para producir dos piezas en forma de copa (se muestra la sección transversal) con cada disparo de inyección. (Crédito:
Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)
Moldeo por inyección 165
8.6
3) un sistema de eyección para la remoción de la pieza, 4) un sistema de enfriamiento y 5) conductos para permitir la evacuación del aire de las cavidades.
Otros tipos de molde Una alternativa al molde de dos placas es el molde de tres placas, que se
ilustra en la figura 8.23, para la misma configuración geométrica de la pieza que antes. Este diseño de molde tiene ventajas. En primer lugar, el flujo de plástico fundido ocurre a través de una
compuerta ubicada en la base de la pieza con forma de copa, en vez de en un lado. Esto permite
una distribución más pareja de fundido en los lados de la copa. En el diseño de compuerta lateral
del molde de dos placas de la figura 8.22, el plástico debe fluir alrededor del núcleo y unirse en
el lado opuesto, posiblemente con la creación de una debilidad en la línea de soldadura. En segundo lugar, el molde de tres placas permite una operación más automática de la máquina moldeadora. Cuando el molde se abre, se divide en tres placas con dos aberturas entre ellas. Esta
acción separa el sistema de alimentación de las piezas, que caen por gravedad en contenedores
por debajo del molde.
El bebedero y el sistema de alimentación de un molde convencional de dos o tres placas representan un desperdicio de material. En muchos casos se desechan y vuelven a usar; sin embargo, en otros, el producto debe hacerse de plástico “virgen” (aquel que no ha sido moldeado antes). El molde con sistema de alimentación en caliente elimina la solidificación del bebedero y
sistema de alimentación al colocar calentadores alrededor de los canales correspondientes a los
alimentadores. Aunque el plástico en la cavidad del molde se solidifica, el material en el bebedero y canales de alimentación permanece fundido, listo para inyectarse en la cavidad en el siguiente ciclo.
8.6.3
Contracción y defectos en el moldeo por inyección
Los polímeros tienen coeficientes de expansión (dilatación) térmica elevados, y durante el enfriamiento del plástico en el molde ocurre una contracción significativa. La contracción de plásticos
cristalinos tiende a ser mayor que para los polímeros amorfos. La contracción se expresa por lo
general como la reducción en el tamaño lineal que ocurre durante el enfriamiento a temperatura
ambiente a partir de la temperatura del molde para el polímero dado. Por ello, las unidades apropiadas son mm/mm (pulg/pulg) de la dimensión en estudio. En la tabla 8.1 se dan valores comunes para polímeros seleccionados.
Placa estacionaria
Placa del molde
estacionario
Compuerta
Cavidad
Sistema de
alimentación
Boquilla
Bebedero
Pernos eyectores
Placa móvil
Caja del
eyector
Placa del
eyector
Placa intermedia del molde
Placa móvil del molde
Cojinete
de bebedero
Placa de los pernos
(pasadores) del eyector
Pernos eyectores
Placa intermedia del molde
a)
Bebedero y sistema
de alimentación
Piezas moldeadas
b)
FIGURA 8.23 Molde de tres placas: a) cerrado y b) abierto. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P.
Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)
166 CAPÍTULO 8
between
betweenthem.
them.This
Thisaction
actionseparates
separatesthe
therunner
runnerfrom
fromthe
theparts,
parts,which
whichdrop
dropbybygravity
gravityinto
into
containers
containersbeneath
beneaththe
themold.
mold.
The
Thesprue
sprueand
andrunner
runnerinina aconventional
conventionaltwotwo-ororthree-plate
three-platemold
moldrepresent
representwaste
waste
material.
material.InInmany
manyinstances
instancesthey
theycan
canbebeground
groundand
andreused;
reused;however,
however,ininsome
somecases
casesthe
the
product
productmust
mustbebemade
madeofof‘‘virgin’’
‘‘virgin’’plastic
plastic(plastic
(plasticthat
thathas
hasnot
notbeen
beenpreviously
previouslymolded).
molded).
The
Thehot-runner
hot-runnermold
moldeliminates
eliminatesthe
thesolidification
solidificationofofthe
thesprue
sprueand
andrunner
runnerbybylocating
locating
Procesos para
dar forma
a los the
plásticos
heaters
around
heaters
around
thecorresponding
correspondingrunner
runnerchannels.
channels.Although
Althoughthe
theplastic
plasticininthe
themold
mold
cavity
cavitysolidifies,
solidifies,the
thematerial
materialininthe
thesprue
sprueand
andrunner
runnerchannels
channelsremains
remainsmolten,
molten,ready
readytoto
bebeinjected
injectedinto
intothe
thecavity
cavityininthe
thenext
nextcycle.
cycle.
TABLA 8.1
8.6.3
8.6.3
Valores comunes de contracción para moldes de termoplásticos seleccionados
Contracción,
mm/mm (pulg/
Plástico
pulg)
Plástico
SHRINKAGE
DEFECTS
MOLDING
SHRINKAGEAND
AND
DEFECTSINININJECTION
INJECTION
MOLDING
Contracción,
mm/mm (pulg/
pulg)
0.025
0.006 coefficients,
ABS
Polietilenoand
Polymers
can
Polymershave
havehigh
highthermal
thermalexpansion
expansion
coefficients,
andsignificant
significantshrinkage
shrinkage
canoccur
occur
0.004
Nylon-6, 6
0.020
Poliestireno
during
cooling
of
the
plastic
in
the
mold.
Contraction
of
crystalline
plastics
tends
to
during cooling of the plastic in the mold. Contraction of crystalline plastics tends tobebe
0.005
Policarbonato
0.007
PVC
greater
greaterthan
thanfor
foramorphous
amorphouspolymers.
polymers.Shrinkage
Shrinkageisisusually
usuallyexpressed
expressedasasthe
thereduction
reductioninin
linear
size
that
occurs
during
cooling
to
room
temperature
from
the
molding
temperature
linearde
size
that occurs during cooling to room temperature from the molding temperature
Compilado
[14].
for
forthe
thegiven
givenpolymer.
polymer.Appropriate
Appropriateunits
unitsare
aretherefore
thereforemm/mm
mm/mm(in/in)
(in/in)ofofthe
thedimension
dimension
under
underconsideration.
consideration.Typical
Typicalvalues
valuesfor
forselected
selectedpolymers
polymersare
aregiven
givenininTable
Table8.1.
8.1.
the
shrinkage.
InIncommercial
molding
practice,
LosFillers
rellenos
en
el plastic
plástico
tienden
areduce
reducir
la contracción.
En la práctica
comercial
del
Fillersinin
the
plastictend
tendtotoreduce
shrinkage.
commercial
molding
practice,
moldeo,
antesvalues
de
hacer
el molde
debe obtenerse
del
productor los
valores
deobtained
la
contracción
para
shrinkage
for
the
molding
compound
should
bebe
from
the
shrinkage
values
for
thespecific
specific
molding
compound
should
obtained
from
the
elproducer
compuesto
específico
por moldear.
Con To
elTo
fin
de compensar
la shrinkage,
contracción,
las
the
compensate
for
dimensions
ofof
producerbefore
beforemaking
making
themold.
mold.
compensate
for
shrinkage,the
thedimensiones
dimensionsde
lathe
cavidad
del
moldemust
deben
hacerse
más
grandes
que
las
de la pieza
especificada.
Puede
usarse
la
cavity
bebe
made
than
part
dimensions.
The
themold
mold
cavity
must
madelarger
larger
thanthe
thespecified
specified
part
dimensions.
Thefollowing
following
fórmula
siguiente
[14]:
formula
can
used
formula
canbebe
used[14]:
[14]:
2 2
DD
þþDD
þþDD
DD
c ¼
pp
p Sp S
p Sp S
c ¼
(8.19)
(8.19)
(8.19)
donde
DcD=
deofla
cavidad,
mm
(pulg);
= dimensión
de la pieza
moldeada,
mm
(in);
DD
part
mm
(in),
S S¼¼
where
¼dimension
dimension
ofcavity,
cavity,mm
mm
(in);
¼molded
partdimension,
dimension,
mm
(in),and
and
where
D
pmolded
c¼
p¼
cdimensión
pD
(pulg),
y S =values
valores
de
la contracción
obtenidos
de third
lathird
tabla
8.1.on
El
tercer
término del
lado
dereshrinkage
from
8.1.
term
side
corrects
shrinkage
valuesobtained
obtained
fromTable
Table
8.1.The
The
term
onthe
theright-hand
right-hand
side
corrects
for
that
occurs
ininthe
cho
deshrinkage
la
ecuación
hace
la corrección
en
la contracción.
for
shrinkage
that
occurs
theshrinkage.
shrinkage.
Ejemplo
8.3
Example
8.3
Example
8.3
Contracción
en el
Shrinkage
Shrinkageinin
moldeo
por
Injection
InjectionMolding
Molding
inyección
LaThe
longitud
nominal
de of
una
hecha
ha de
ser
de
8080mm.
mm.
lathe
dimenlength
ofofpolietileno
polyethylene
isisto
Determine
Thenominal
nominal
length
ofa parte
apart
partmade
madede
polyethylene
tobe
be80
mm.Determine
Determine
thecorcorsión
correspondiente
de la of
cavidad
del
molde
que
compensará
la contracción.
responding
dimension
cavity
that
will
for
responding
dimension
ofthe
themold
mold
cavity
that
willcompensate
compensate
forshrinkage.
shrinkage.
Solución:
partir
de
la tabla
8.1,
la
contracción
para
el polietileno
S0.025.
=
0.025.
Con
el (8.19),
uso
de
Solution:
Table
8.1,
the
shrinkage
for
polyethylene
isisS es
Using
Eq.
Solution:A From
From
Table
8.1,
the
shrinkage
for
polyethylene
S¼¼
0.025.
Using
Eq.
(8.19),
lathe
ecuación
(8.19),
el
diámetro
de
la
cavidad
del
molde
debe
ser:
themold
moldcavity
cavitydiameter
diametershould
shouldbe:
be:
2
DD
80:0þþ80:0ð0:025Þ
80:0ð0:025Þþþ80:0ð0:025Þ
80:0ð0:025Þ2
c c¼¼80:0
¼¼80:0
80:0þþ2:0
2:0þþ0:05
0:05¼¼82:05
82:05mm
mm
■
&&
Debido a las diferencias de contracción entre los plásticos, las dimensiones del molde deben
determinarse para el polímero en particular que habrá de moldearse. El mismo molde producirá
TABLE
tamaños
de8.1
piezaTypical
diferentes
paraof
distintos
tiposfor
de
polímero.
TABLE
8.1
Typicalvalues
values
ofshrinkage
shrinkage
formoldings
moldingsofofselected
selectedthermoplastics.
thermoplastics.
Los valores de la tabla 8.1 representan una simplificación grande del tema de la contracción.
Shrinkage,
Shrinkage,
En realidad, ésta se ve afectada Shrinkage,
por
varios factores, cualquiera de los cuales alteraShrinkage,
la
cantidad de
Plastic
mm/mm
(in/in)
Plastic
mm/mm
Plastic
mm/mm
(in/in)
Plastic
mm/mm
(in/in)
contracción que experimenta un polímero dado. Los factores más importantes son la (in/in)
presión
0.006
Polyethylene
0.025
de laABS
inyección, tiempo de compactación,
moldeo y espesor de la pieza.
ConforABS
0.006 temperatura del
Polyethylene
0.025
Nylon-6,6
0.020
Nylon-6,6
0.020 y se fuerza aPolystyrene
Polystyrene
0.004 del
me se
incrementa la presión de la inyección
que
entre más material en la0.004
cavidad
Polycarbonate
PVC
Polycarbonate
0.007
PVC
0.005simimolde,
la contracción se reduce. El0.007
incremento
del tiempo
de compactación tiene un 0.005
efecto
lar,
si
se
supone
que
el
polímero
en
la
compuerta
no
se
solidifica
y
sella
la
cavidad;
el
mantener
Compiled
from
[14].
Compiled
from
[14].
la presión fuerza a que más material entre a la cavidad mientras ocurre la contracción. Por tanto, la
contracción neta disminuye.
La temperatura de moldeo se refiere a la que tiene el polímero en el cilindro, inmediatamente antes de la inyección. Se esperaría que una temperatura más alta del polímero incrementaría la
contracción, con el razonamiento de que la diferencia entre las temperaturas de moldeo y ambiental es mayor. Sin embargo, la contracción en realidad es menor con temperaturas de moldeo
más elevadas. La explicación es que las temperaturas más altas disminuyen de manera significativa la viscosidad del polímero fundido, lo que permite que se compacte más material dentro del
molde; el efecto es el mismo para presiones de inyección más grandes. Así, el efecto sobre la
viscosidad más que compensa la mayor diferencia de temperaturas.
Por último, las piezas más gruesas presentan más contracción. Un molde se solidifica a partir
del exterior; el polímero en contacto con la superficie del molde forma una capa (skin, en inglés)
que crece hacia el centro de la pieza. En cierto punto de la solidificación, la compuerta se solidi-
8.6
Moldeo por inyección 167
fica, lo que aísla al material de la cavidad del sistema de alimentación y de la presión de compactación. Cuando esto ocurre, el polímero fundido dentro de la capa representa la mayor parte de la
contracción restante que ocurre en la pieza. Una sección más gruesa de ésta experimenta una contracción mayor, debido a que contiene una proporción más grande de material fundido.
Además del problema de la contracción, hay otras cosas que pueden salir mal. A continuación se mencionan defectos comunes de las piezas moldeadas por inyección:
• Disparos insuficientes: Igual que en el fundido, un disparo insuficiente (inyección deficiente) es un moldeo que se solidifica antes de que la cavidad se llene por completo. El defecto
se corrige si se incrementa la temperatura y/o la presión. El defecto también surge por el uso
de una máquina con capacidad de disparo insuficiente, caso en el que es necesario un aparato más grande.
• Rebabas: Éstas ocurren cuando el polímero fundido se escurre por la superficie de separación, entre las placas del molde; también sucede alrededor de los pernos de eyección. Por lo
general, el defecto lo ocasionan 1) conductos de ventilación y claros demasiado grandes en
el molde; 2) presión de inyección demasiado alta en comparación con la fuerza de sujeción;
3) temperatura de fusión demasiado elevada, o 4) tamaño excesivo del disparo o la dosis de
inyección.
• Marcas de hundimiento y huecos: Éstos son defectos que por lo general se relacionan con
secciones moldeadas gruesas. Una marca de hundimiento (marca hundida) ocurre cuando la
superficie exterior del molde se solidifica, pero la contracción del material del interior hace
que la capa se reduzca por debajo del perfil que se planeaba. Un hueco es ocasionado por el
mismo fenómeno básico; sin embargo, el material de la superficie conserva su forma y la
contracción se manifiesta como un hueco interno debido a fuerzas de tensión grandes sobre
el polímero que aún está fundido. Estos defectos se eliminan con el incremento de la presión
de compactación posterior a la inyección. Una mejor solución consiste en diseñar la pieza
para tener espesor uniforme de la sección y utilizar secciones más delgadas.
• Líneas de soldadura: Las líneas de soldadura ocurren cuando el polímero fundido fluye alrededor de un núcleo o de otro detalle convexo en la cavidad del molde, y se encuentra desde
direcciones opuestas; la frontera así formada se denomina línea de soldadura, y tiene propiedades mecánicas inferiores a las del resto de la pieza. Las formas de eliminar este defecto son
temperaturas de fusión más altas, presiones de inyección mayores, ubicaciones alternas de la
compuerta de la pieza y mejores conductos.
8.6.4
Otros procesos del moldeo por inyección
La mayoría de las aplicaciones del moldeo por inyección involucran a los termoplásticos. En
esta sección se describen algunas variaciones del proceso.
Moldeo por inyección de espuma termoplástica Las espumas de plástico tienen varias aplicaciones, y en la sección 8.11 se estudian dichos materiales y su procesamiento. Uno de los
procesos, en ocasiones llamado moldeo de espuma estructural, es apropiado que se estudie aquí
porque se trata de moldeo por inyección. Involucra el moldeo de piezas de termoplástico que
poseen una capa exterior densa que rodea a un centro de espuma ligera. Dichas piezas tienen razones de rigidez a peso apropiadas para las aplicaciones estructurales.
Una pieza de espuma estructural se produce ya sea con la introducción de gas en el plástico
fundido en la unidad de inyección o con la mezcla de un ingrediente que produzca gas con las
partículas (pellets) de inicio. Durante la inyección, una cantidad insuficiente de material fundido
es introducida de manera forzada en la cavidad del molde, donde se expande (espuma) y lo llena.
Las celdas de la espuma en contacto con la superficie fría del molde se colapsan y forman una
capa densa, en tanto que el material en el núcleo retiene su estructura celular. Los artículos hechos con espuma estructural incluyen estuches para electrónica, carcasas de máquinas para negocios, componentes de muebles y tanques para lavadoras. Las ventajas citadas del moldeo de espuma estructural incluyen presiones de inyección y fuerzas de sujeción más bajas, con lo que se
está en capacidad de producir componentes grandes, como lo sugiere la lista anterior. Una des-
168 CAPÍTULO 8 Procesos para dar forma a los plásticos
ventaja del proceso es que las superficies resultantes de la pieza tienden a ser rugosas, con huecos
ocasionales. Si la aplicación necesitara un buen acabado de la superficie, entonces se requeriría
procesamiento adicional, como lijado, aplicación de pintura y la adhesión de un revestimiento.
Moldeo por inyección de termofijos Éste se emplea para plásticos termofijos (TS, ThermoSets), con ciertas modificaciones del equipo y procedimiento de operación, a fin de permitir el
enlazamiento cruzado. Estas máquinas son similares a las que se emplean para termoplásticos.
Utilizan una unidad de inyección de tornillo reciprocante, pero la longitud del cilindro es más
corta para evitar la cura y solidificación prematuras del polímero TS. Por la misma razón, las
temperaturas en el cilindro se mantienen a niveles relativamente bajos, por lo general de 50 a 125 °C
(120 a 260 °F), lo que depende del polímero. El plástico, por lo general en forma de pellets o
gránulos, se alimenta por medio de una tolva. La plastificación ocurre por la acción del tornillo
rotatorio conforme el material se mueve hacia delante en dirección de la boquilla. Cuando se ha
acumulado suficiente material fundido por delante del tornillo, se inyecta a un molde que se calienta entre 150 y 230 °C (300 a 450 °F), donde ocurre el enlazamiento cruzado para endurecer
el plástico. Entonces se abre el molde y la pieza se eyecta y retira. Es común que los tiempos del
ciclo de moldeo varíen en el rango de 20 segundos a 2 minutos, lo que depende del tipo de polímero y tamaño de la pieza. La cura es la etapa del ciclo que más tiempo consume.
Los termofijos principales para el moldeo por inyección son los fenoles, poliésteres insaturados, melaminas, epóxicos y formaldehídos de urea. Más de 50% de los moldeos de fenólicos
que se producen en Estados Unidos se lleva a cabo con este proceso [11], lo que representa un
abandono del moldeo por compresión y transferencia, procesos tradicionales que se utilizan para
los termofijos (sección 8.7). La mayoría de los materiales termofijos (TS) del moldeo contienen
grandes proporciones de rellenos (hasta 70% de su peso), inclusive fibras de vidrio, arcilla, fibras
de madera y negro de humo. De hecho, éstos son materiales compósitos que se moldean por inyección.
Moldeo por inyección de reacción El moldeo por inyección de reacción (RIM, Reaction In-
jection Molding) involucra la mezcla de dos ingredientes líquidos muy reactivos, con la inyección
inmediata de ésta en la cavidad de un molde, donde reacciones químicas hacen que ocurra la
solidificación. Los uretanos, epóxicos y formaldehídos de urea son ejemplos de estos sistemas.
El RIM se desarrolló con el poliuretano para producir grandes componentes automotrices como
defensas, alerones y salpicaderas. Esta clase de piezas constituye la aplicación principal del
proceso. Las piezas de poliuretano obtenidas con RIM suelen tener una estructura interna de espuma rodeada por una capa exterior densa.
Como se aprecia en la figura 8.24, los ingredientes líquidos se bombean en cantidades medidas con precisión, desde tanques separados hacia una cabeza mezcladora. Los ingredientes se
mezclan con rapidez y luego se inyectan a la cavidad del molde con una presión relativamente
baja, donde ocurre la polimerización y cura. El tiempo normal de un ciclo es de alrededor de 2
minutos. Para cavidades relativamente grandes, los moldes para RIM son mucho menos costosos
que los correspondientes al moldeo por inyección convencional. Esto se debe a las fuerzas pequeñas de sujeción que se requieren en el RIM y a la oportunidad de utilizar componentes ligeros en
los moldes. Otras ventajas del RIM incluyen 1) se requiere poca energía para el proceso; 2) los
costos del equipo y molde son menores que los del moldeo por inyección; 3) se dispone de una
variedad de sistemas químicos que permiten obtener propiedades específicas del producto moldeado, y 4) el equipo de producción es confiable, los sistemas químicos y las relaciones de la
máquina se comprenden bien [17].
8.7
Moldeo por compresión y transferencia
En esta sección se estudian dos técnicas que se emplean mucho para polímeros termofijos y elastómeros. Para los termoplásticos, estas técnicas no alcanzan la eficiencia del moldeo por inyección, excepto para aplicaciones muy especiales.
8.7
Moldeo por compresión y transferencia 169
Tanques
contenedores
Ingrediente A
Ingrediente B
Pistón de inyección
FIGURA 8.24 Sistema
de moldeo por inyección de
reacción (RIM), mostrado
inmediatamente después de
que los ingredientes A y B
se han bombeado hacia la
cabeza mezcladora, antes de
inyectarlos a la cavidad del
molde (se han omitido algunos detalles del equipo de
procesamiento). (Crédito:
Fundamentals of Modern
Manufacturing, 4a. ed., de
Mikell P. Groover, 2010.
Reimpreso con autorización
de John Wiley & Sons, Inc.)
8.7.1
Bomba
Cilindro de medición
A
Cabeza mezcladora
B
A+B
Molde
Cavidad
Moldeo por compresión
Es un proceso antiguo y muy utilizado para plásticos termofijos. Sus aplicaciones también incluyen neumáticos de hule y varias piezas de material compósito con matriz de polimérica. El proceso, que se ilustra en la figura 8.25 para un plástico TS, consiste en 1) cargar la cantidad precisa
del compuesto de moldeo, llamada carga, en la mitad inferior de un molde calentado; 2) juntar
las mitades del molde para comprimir la carga, forzarla a que fluya y adopte la forma de la cavidad; 3) calentar la carga por medio del molde caliente para polimerizar y curar el material en una
pieza solidificada, y 4) abrir las mitades del molde y retirar la pieza de la cavidad.
La carga inicial del compuesto para el moldeo puede estar en varias formas, inclusive polvo o
pellets, líquida o preformada (parcialmente conformada). La cantidad de polímero debe controlarse con precisión para obtener consistencia repetible en el producto moldeado. Se ha vuelto práctica común precalentar la carga antes de colocarla en el molde; esto suaviza al polímero y acorta la
duración del ciclo de producción. Los métodos de precalentamiento incluyen calentadores infrarrojos, convección en un horno y uso de tornillo rotatorio caliente en un cilindro. La última técnica
(tomada del moldeo por inyección) también se usa para medir la cantidad de la carga.
Las prensas para moldeo por compresión se orientan en forma vertical y contienen dos placas a las que se sujetan las mitades del molde. Las prensas involucran dos tipos de accionamiento: 1) ascenso de la placa inferior o 2) descenso de la placa superior, la primera es la configuración más común de la máquina. Por lo general, son movidas por un cilindro hidráulico diseñado
para proporcionar capacidades de sujeción de varios cientos de toneladas.
Los moldes para moldeo por compresión generalmente son más sencillos que sus contrapartes
para inyección. En un molde para compresión no hay bebedero ni sistema de alimentación y el
proceso en sí, por lo general, está limitado a formas sencillas de la pieza, debido a las capacidades
menores de flujo de los materiales termofijos con los que se inicia. Sin embargo, deben tomarse
medidas para calentar el molde, que, por lo general, se lleva a cabo con resistencia eléctrica, vapor
o circulación de aceite caliente. Los moldes para compresión se clasifican en moldes manuales,
que se emplean para hacer corridas de prueba; semiautomáticos, en los que la prensa sigue un
ciclo programado pero es el operador quien la carga y descarga en forma manual; y automáticos,
que operan con un ciclo de prensa totalmente automático (incluyendo para la carga y descarga).
Los materiales para moldeo por compresión incluyen fenoles, melamina, formaldehído de
urea, epóxicos, uretanos y elastómeros. Las molduras comunes incluyen clavijas y tomacorrientes eléctricos, manijas de trastos y vajillas. Las ventajas más notables del moldeo por compresión
170 CAPÍTULO 8 Procesos para dar forma a los plásticos
v
Mitad superior
del molde
Punzón
v, F
Parte
moldeada
Carga
Cavidad
Mitad inferior
del molde
Perno golpeador
v
2) y 3)
1)
4)
FIGURA 8.25 Moldeo por compresión de plásticos termofijos: 1) se introduce la carga; 2) y 3) la carga se comprime y cura, y 4) la
pieza se eyecta y retira (se han omitido algunos detalles). (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)
en dichas aplicaciones incluyen 1) moldes que son más sencillos y menos costosos, 2) menor
desperdicio y 3) esfuerzos residuales bajos en las piezas moldeadas. Una desventaja frecuente
son las duraciones mayores del ciclo y, por tanto, tasas de producción menores que las del moldeo
por inyección.
8.7.2
Moldeo por transferencia
En este proceso se introduce una carga termofija a una cámara inmediatamente delante de la cavidad del molde, donde se calienta; después se aplica presión para forzar al polímero suavizado
a fluir hacia el molde caliente en el que procede el curado. Hay dos variantes del proceso, que
se ilustra en la figura 8.26: a) moldeo por transferencia a través de recipiente, en el que la carga
se inyecta desde un “recipiente” a través de un canal vertical (bebedero) en la cavidad, y b) moldeo por transferencia de pistón, en el que la carga se inyecta por medio de un pistón desde un
depósito caliente a través de canales laterales hacia la cavidad del molde. En ambos casos, en
cada ciclo se generan desperdicios en forma de material sobrante en la base del depósito y los
canales laterales, llamado desecho (cull, en inglés). Además, en la transferencia a través de recipiente el bebedero es el material que se desperdicia. Debido a que los polímeros son termofijos,
los desechos no pueden recuperarse.
El moldeo por transferencia se relaciona estrechamente con el de compresión, porque se
utiliza con los mismos tipos de polímero (termofijos y elastómeros). También se observan similitudes con el moldeo por inyección, en la forma en que la carga se precalienta en una cámara
separada y después se inyecta en el molde. El moldeo por transferencia es capaz de moldear
formas de pieza que son más intrincadas que en el moldeo por compresión, pero no tan complejas
como con el moldeo por inyección. El moldeo por transferencia también llega a moldear con inserciones, para lo que se coloca un inserto de metal o cerámica dentro de la cavidad, antes de la
inyección, y el plástico calentado se adhiere a aquél durante el moldeo.
8.8
Moldeo por soplado y moldeo rotacional
Estos dos procesos se emplean para fabricar piezas huecas y sin costura de polímeros termoplásticos. El moldeo rotacional también se utiliza para termofijos. El tamaño de las piezas varía desde
8.8
Moldeo por soplado y moldeo rotacional 171
v
v
Ariete de transferencia
Ariete de transferencia
Recipiente
Recipiente
de transferencia
de transferencia
Carga (preformada)
Carga (preformada)
v
v
Cavidades
Cavidades
1)
1)
Perno eyector
Perno eyector
Desecho
Desecho
Bebedero
Bebedero
v, F
v, F
Pieza moldeada
Pieza moldeada
3)
3)
2)
2)
v
v
a)
a)
v
v
Pistón
Pistón
v, F
v, F
Carga (preformada)
Carga (preformada)
1)
1)
Cavidades
Cavidades
Pernos eyectores
Pernos eyectores
v
v
Desecho
Desecho
Pieza moldeada
Pieza moldeada
2)
2)
3)
3)
v
v
v
v
b)
b)
FIGURA 8.26 a) Moldeo por transferencia a través de recipiente y b) moldeo por transferencia de pistón. El ciclo en ambos procesos
es el siguiente: 1) se introduce la carga al recipiente, 2) el polímero suavizado se prensa y cura en la cavidad del molde y 3) se expulsa la
pieza. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley
& Sons, Inc.)
botellas de plástico pequeñas de sólo 5 mL (0.15 oz) a tambos de almacenamiento grandes, de
38 000 litros (10 000 gal) de capacidad. Aunque en ciertos casos los dos procesos compiten, por
lo general tienen sus nichos propios. El moldeo por soplado es más apropiado para la producción
en masa de contenedores desechables pequeños, en tanto que el rotacional es propio para formas
más grandes y huecas.
8.8.1
Moldeo por soplado
El moldeo por soplado es un proceso en el que se utiliza presión del aire para inflar plástico suave dentro de la cavidad de un molde. Es un proceso industrial importante para fabricar piezas de
plástico huecas, de una sola pieza y con paredes delgadas, como botellas y contenedores similares. Debido a que muchos de esos artículos se utilizan para bebidas para el consumidor destinadas a mercados masivos, su producción está organizada para cantidades muy grandes. La tecno-
capacity. Although
the two processes
in certain
cases,
generally
they have found
containers,
whereas rotational
moldingcompete
is favored
for large,
hollow
shapes.
their own niches. Blow molding is more suited to the mass production of small disposable
containers, whereas rotational molding is favored for large, hollow shapes.
C08
8.8.1
08/02/2011
BLOW
10:13:23 MOLDING
Page 178
Blow molding is a molding process in which air pressure is used to inflate soft plastic
inside a mold cavity. It is an important industrial process for making one-piece hollow
Blow parts
molding
a molding
process
in which
air pressure
is used
to inflate
soft
plastic
plastic
withisthin
walls, such
as bottles
and similar
containers.
Because
many
of these
inside
a
mold
cavity.
It
is
an
important
industrial
process
for
making
one-piece
hollow
items
are used
consumer
beverages
for7.2),
mass
is typically
logía
proviene
de lafor
industria
del vidrio
(sección
con markets,
la que losproduction
plásticos compiten
en el
plasticdeparts
with
walls,
suchy as
bottles
and similar
containers.
Because
many
of these
organized
forbotellas
very thin
high
quantities.
The
technology
is borrowed
from
the glass
industry
mercado
las
desechables
reciclables.
items
are
used
for consumer
for
mass
markets,
production
typically
178
Chapter 8/Shaping Processes
for
Plastics
(Section
7.2)
with
which
plastics
the
disposable
and recyclable
bottle
market.
El moldeo
por soplado
se lleva compete
a beverages
cabo en in
dos
etapas:
1) fabricación
de un tubo
deis inicio
de
organized
for
very
high
quantities.
The
technology
is
borrowed
from
the
glass
industry
molding
is parison
accomplished
in two(mismo
steps: término
(1) fabrication
a starting
tube
of
plásticoBlow
fundido,
llamado
o preformado
que en elof
soplado
del vidrio),
y
(Section
7.2)
with
which
plastics
compete
inasthe
andEl
recyclable
bottle
market.
plastic,
called
a parison
(same
in disposable
glass
blowing);
and
(2) inflation
of the
2)molten
el
inflado
del tubo
hasta
que
adquiere
laterm
forma
final
que se
desea.
formado
del
parison
se
Blow
molding
iso shape.
accomplished
inthe
twoparison
steps: is(1)
fabrication by
of aeither
starting
tube of
tubea to
thepor
desired
final
accomplished
extrusion
lleva
cabo
extrusión
moldeoForming
por inyección.
molten
plastic,
called
a
parison
(same
term
as
in
glass
blowing);
and
(2)
inflation
of the
or injection molding.
Moldeo
porthe
soplado
extrusión
formathe
de parison
moldear is
consiste
en el ciclo
se ilustra
en
tube to
desiredy final
shape. Esta
Forming
accomplished
byque
either
extrusion
la figura
8.27.
En
la
mayoría
de
los
casos
el
proceso
se
organiza
como
operación
de
producción
or injection
molding.
Extrusion
Blow
Molding This form of blow molding consists of the cycle illustrated in
elevada para fabricar botellas de plástico. La secuencia es automática y, con frecuencia, se integra
Figure 8.27. In most cases, the process is organized as a very high production operation
conExtrusion
operaciones
posteriores
comoThis
el llenado
y etiquetado
de las
botellas.
Blow
Molding
form of
molding
consists
the cycle with
illustrated
for making plastic
bottles. The
sequence
isblow
automated
and
oftenof
integrated
down-in
Por
lo
general
se
requiere
que
el
contenedor
soplado
sea
rígido,
y la rigidez depende del esFigureoperations
8.27. In most
the process
is organized
stream
suchcases,
as bottle
filling and
labeling. as a very high production operation
pesor
la pared,
entre bottles.
otros factores.
El espesorisde
la pared deland
contenedor
soplado se relaciona
forde
making
plastic
The that
sequence
automated
downIt is usually
a requirement
the blown
container be often
rigid, integrated
and rigiditywith
depends
constream
el parison
de
extruido
inicial
[12],
lo
que
supone
una
forma
cilíndrica
del
producto final. El
operationsamong
such asother
bottlefactors.
filling and
on wall thickness
We labeling.
can relate wall thickness of the blown
efecto de It
la expansión adel
dado sobre el
parison
se presenta
en la figura
8.28.
El rigidity
diámetrodepends
medio
requirement
the blown
rigid,
and
container istousually
the starting
extrudedthat
parison
[12], container
assuming be
a cylindrical
shape for the
delon
tubowall
conforme
sale
del
dado
se
determina
con
la
media
del
diámetro
del
dado
D
.
La
expand
thickness
among
other
factors.
can is
relate
wall
thickness
ofThe
the mean
blown
final product.
The effect
of die
swell
on theWe
parison
shown
in Figure
8.28.
sióncontainer
del dado ocasiona
la expansión
hasta un diámetro
del parison
D . Al mismo
tiempo,
starting
extruded
[12],medio
assuming
a cylindrical
shape
the
. Die
diameter of to
thethe
tube
as it exits
the dieparison
is determined
by the mean
diep diameter
Ddfor
el espesor
de la pared
expande
de tdswell
a tp. La
razón
de expansión
del diámetro
del parison
del
finalcauses
product.
Theseeffect
die
on diameter
the parison
shown
in Figure
The ymean
the same
time, 8.28.
wall thickness
swell
expansion
to aof
mean
parison
Dp.isAt
grosor
de pared
está tube
dada porit exits the die is determined by the mean die diameter D . Die
diameter
to tp. Theas
swell ratio of the parison diameter and wall thickness is givend by
swells
fromof
td the
swell causes expansion to a mean parison diameter Dp. At the same time, wall thickness
Dp tp
thickness is given
by
swells from td to tp. The swell ratio ofrsthe
¼ parison
¼ diameter and wall
(8.20)
(8.20)
Dd td
Dp tp
rs ¼mold¼diameter D , there is a corresponding
(8.20)
When the parison is inflated to the blow
m
Dd td
Cuando
el
parison
se
infla
hasta
el
diámetro
del
molde
de
soplado
D
,
con
la
reducción
corresm cross section, we have
constant
volume
of
reduction
in wall
thicknessofto
tm. Assuming
FIGURE 8.27 Extrusion blow
molding:
(1) extrusion
parison;
(2) parison
is pinched
at the
top and sealed at the
pondiente
del espesor
a tmto
, y the
si seblow
supone
un volumen
constante
de laissección
transvera corresponding
When the
parisondeispared
inflated
mold
diameter
Dm, there
bottom around a metal blow pin as the two halves of the mold come together; (3) the tube is inflated so that it takes
sal,reduction
se tiene in wall thickness to tm. Assuming
constant
volume
of cross section,
we
have
pDpsolidified
tp ¼ pD
tm (Credit:
(8.21)
m
the shape of the mold cavity; and (4) mold is opened to remove the
part.
Fundamentals
of Modern
8.8.1 BLOW
172 CAPÍTULO
8 MOLDING
Procesos para dar forma a los plásticos
Manufacturing, 4th Edition by Mikell P. Groover, 2010. Reprinted with permission of John Wiley & Sons, Inc.)
pDp tp ¼ pDm tm
(8.21)
(8.21)
Al resolver tm se obtiene
Solving for tm, we obtain
tm ¼
Dp tp
Dm
Cilindro
extrusor Eq. (8.20) into this equation, we get
Substituting
Dado de tubo
v
Parison
r2s td Dd
MoldeD(cerrado)
m
tm ¼
v
Pieza moldeada
v
(8.22)
v
The amount of die swell in the initial extrusion process can be measured by direct
observation; and the dimensions of the die are known. Thus, we can determine the wall
thickness on the blow-molded container.
Molde (abierto)
FIGURE 8.28
(1) Dimensions of
Espiga de
extrusion die, showing
v
soplado
Entrada de aire
parison after die swell;
v
and (2) final blow-molded
3)
2)
1)
4)
container in extrusion
blow molding. (Credit:
FIGURA 8.27 ofMoldeo soplado por extrusión: 1) extrusión de parison; 2) se oprime la parte superior del parison y se sella en la inferior
Fundamentals
alrededorManufacturing,
de una espiga metálica de soplado, conforme las dos mitades del molde se juntan; 3) el tubo se infla de modo que adopta la
Modern
forma
de la cavidad del molde, y 4) el molde se abre para retirar la pieza solidificada. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing,
th
4 Edition by Mikell P.
4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)
Groover, 2010. Reprinted
with permission of John
Wiley & Sons, Inc.)
8.8
Moldeo por soplado y moldeo rotacional 173
Dd
FIGURA 8.28
1) Dimensiones del dado de
td
extrusión. El parison después de la dilatación del
Dado de
de
FIGURE
8.27 Extrusion
blow molding: (1) extrusion
of parison; (2) parison is pinched at the top and sealedMolde
at the
dado
y 2) contenedor
molextrusión
bottom
aroundenaelmetal blow pin as the two halves of the mold come together; (3) the tube is inflated so thatsoplado
it takes
deado
por soplado,
moldeo
sopladoofpor
extruthe shape
the
mold cavity;
v and (4) mold is opened to remove the solidified part. (Credit: Fundamentals of Modern
sión.
(Crédito: Fundamentp
Manufacturing,
4th Edition by Mikell P. Groover,
2010. Reprinted with permission of John Wiley & Sons, Inc.)
tals of Modern Manufactutm
ring, 4a. ed., de Mikell P.
Dm
Groover, 2010. Reimpreso
Ddfor t , we obtain
Solving
m
con autorización de John
Dp tp
Wiley & Sons, Inc.)
1)
2)
tm ¼
Dm
SeSubstituting
sustituye la ecuación
(8.20)
estaequation,
ecuación we
y queda
Eq. (8.20)
intoen
this
get
tm ¼
r2s td Dd
Dm
(8.22)
(8.22)
The amount
of die swell
in the
extrusion
can se
bemide
measured
by direct
La cantidad
de dilatación
del dado
en initial
el proceso
inicial process
de extrusión
por observación
observation;
and
the
dimensions
of
the
die
are
known.
Thus,
we
can
determine
the wall
directa y se conocen las dimensiones del dado. Así, es posible determinar el espesor de pared
del
thickness
on
the
blow-molded
container.
contenedor moldeado por soplado.
Moldeo soplado por inyección En este proceso, el parison de inicio se moldea por inyección
en vez de extrusión. En la figura 8.29 se presenta una secuencia simplificada. En comparación
con su proceso competidor basado en la extrusión, el de soplado por inyección suele tener las
FIGURE 8.28
siguientes ventajas: 1) tasa de producción más alta, 2) mayor precisión en las dimensiones fina(1) Dimensions of
les, 3) menores tasas de desechos y 4) menor desperdicio de materiales. Además, con el moldeo
extrusion die, showing
soplado por extrusión se pueden producir contenedores más grandes, debido a que en el moldeo por
parison after die swell;
inyección los moldes son muy caros para parisones grandes. Asimismo, el moldeo soplado
and (2) final blow-molded
por extrusión es una técnica más factible y económica para las botellas de doble capa que sirven
container in extrusion
para almacenar ciertos medicamentos, productos del cuidado personal y diversos compuestos
blow molding. (Credit:
químicos.2
Fundamentals of
En una variante del moldeo con soplado por inyección, llamada moldeo de estiramiento y
Modern Manufacturing,
th
soplado
(figura 8.30), la barra de soplado se extiende hacia abajo dentro del parison moldeado
4 Edition by Mikell P.
Groover, 2010. Reprinted por inyección durante la etapa 2, lo que estira el plástico suave y crea un esfuerzo más favorable
del polímero que el moldeo por inyección convencional o soplado por extrusión. La estructura
with permission of John
resultante es más rígida, con más transparencia y mayor resistencia al impacto.
Wiley & Sons, Inc.)
Materiales y productos El moldeo por soplado se limita a los termoplásticos. El polietileno es
el polímero de uso más común, en particular, el de alta densidad y peso molecular elevado
(HDPE, High Density PolyEthilene y HMWPE, High Molecular Weight Pol y Ethilene). Si se
comparan sus propiedades con las del PE de baja densidad dados los requerimientos de rigidez
del producto final, es más económico usar estos materiales más caros debido a que las paredes del
contenedor pueden fabricarse más delgados. Otras partes moldeadas por soplado están hechas de
polipropileno y cloruro de polivinilo. El material más usado para el moldeo soplado por estiramiento es el tereftalato de polietileno (PET), un poliéster que tiene permeabilidad muy baja y se
fortalece mediante el proceso de moldeo de estiramiento y soplado. La combinación de propiedades lo hace ideal como contenedor de bebidas carbonatadas (por ejemplo, las botellas de 2 L
para sodas).
2 El autor está en deuda con Tom Walko, antiguo alumno y, al momento de escribir este texto, gerente de planta en una de
las plantas de moldeo soplado de Graham Packaging Company, por proporcionar las comparaciones entre el moldeo soplado por extrusión y por inyección.
174 CAPÍTULO 8
Procesos para dar forma a los plásticos
Moldeo por inyección antes del soplado
Entrada de aire
v
Tubo de soplado
Unidad de inyección
Pieza moldeada
con soplado
v
v
Válvula de
aire de una
dirección
v, F
Molde de inyección
Molde de soplado
2)
1)
4)
3)
FIGURA 8.29 Moldeo soplado por inyección: 1) se inyecta el parison moldeado alrededor de un tubo de soplado; 2) se abre el molde
de inyección y el parison se transfiere a un molde de soplado; 3) se infla el polímero suave para que tome la forma del molde de soplado,
y 4) se abre el molde de soplado, y se retira el producto. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover,
2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)
Los contenedores desechables para empacar bienes de consumo líquidos constituyen la mayor parte de productos que se fabrican con moldeo por soplado; pero no son los únicos. Otros
incluyen tambos grandes (55 gal) para embarcar líquidos y polvos, grandes tanques de almacenamiento (2 000 gal), tanques para gasolina de automóviles, juguetes y cascos para veleros y botes
pequeños. En el último caso se fabrican dos cascos en un moldeo único por soplado y se cortan
posteriormente para formar dos cascos abiertos.
8.8.2
Moldeo rotacional
El moldeo rotacional utiliza la gravedad en lugar de un molde rotatorio (giratorio), a fin de lograr
una forma hueca. El también llamado rotomoldeo es una alternativa al moldeo por soplado a fin
de fabricar formas grandes y huecas. Se emplea principalmente para polímeros termoplásticos,
pero cada vez son más comunes las aplicaciones para termofijos y elastómeros. El rotomoldeo
Entrada de aire
v
Tubo de soplado
Unidad de inyección
v, F
Pieza moldeada
por soplado
Molde de inyección
v
1)
Válvula de
aire de una
dirección
2)
3)
FIGURA 8.30 Moldeo de estiramiento y soplado: 1) moldeo con inyección del parison, 2) estiramiento y 3) soplado. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)
8.8
Moldeo por soplado y moldeo rotacional 175
1) Estación de carga y descarga
Molde (abierto)
FIGURA 8.31 Ciclo de
moldeo rotacional ejecutado
sobre una máquina secuenciadora de tres estaciones:
1) estación de carga y descarga; 2) el molde se calienta y gira; 3) enfriamiento
del molde. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell
P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John
Wiley & Sons, Inc.)
Pieza moldeada
Rotación del molde
en dos direcciones
Contrapeso
Unidad secuenciadora
2) Estación de
calentamiento
3) Estación de
enfriamiento
Molde (cerrado)
Aspersión de agua
tiende a ser más adecuado para configuraciones geométricas externas más complejas, piezas más
grandes y cantidades de producción pequeñas, más que el moldeo por soplado. El proceso consiste en las siguientes etapas: 1) se carga una cantidad predeterminada de polvo de polímero en la
cavidad de un molde deslizante o separable. 2) Después se calienta el molde y se gira en forma
simultánea sobre dos ejes perpendiculares, de modo que el polvo impregna todas las superficies
interiores del molde y forma gradualmente una capa fundida de espesor uniforme. 3) Mientras
aún gira, el molde se enfría de modo que la capa exterior de plástico se solidifica. 4) Se abre el
molde y se descarga la pieza. Las velocidades rotacionales que se emplean en el proceso son relativamente bajas. Es la gravedad, no la fuerza centrífuga la que genera el recubrimiento uniforme de las superficies del molde.
En el moldeo rotacional, los moldes son simples y baratos, en comparación con el moldeo
por inyección o por soplado, pero el ciclo de producción es mucho más largo, y dura 10 minutos
o más. Para equilibrar estas ventajas y desventajas en la producción, es frecuente que el moldeo
rotacional se lleve a cabo en una máquina secuenciadora de cavidades múltiples, como la de tres
estaciones que se ilustra en la figura 8.31. La máquina está diseñada para secuenciar tres moldes
a través de las tres estaciones de trabajo. Así, se trabaja con los tres moldes en forma simultánea.
La primera estación de trabajo es de carga y descarga, en la que la pieza terminada se retira del
molde; y se carga el polvo en la cavidad, para la pieza siguiente. La segunda estación consiste en
una cámara de calentamiento en la que aire a temperatura alta calienta el molde por convección
al mismo tiempo que éste gira. Las temperaturas dentro de la cámara son de alrededor de 375 °C
(700 °F), lo que depende del polímero y el artículo que se moldea. La tercera estación enfría el
molde, con el uso de aire frío forzado o aspersión de agua, para enfriar y solidificar el plástico
interior del molde.
Con moldeo rotacional se elabora una variedad fascinante de artículos. La lista incluye juguetes huecos como caballitos y pelotas; cascos de lanchas y canoas, cajas de arena, albercas
pequeñas; boyas y otros dispositivos de flotación; elementos de cajas de tráiler, tableros automotrices, tanques de combustible; piezas de equipaje, mobiliario, botes para basura; maniquíes;
barriles industriales de gran tamaño, contenedores y tanques de almacenamiento; excusados portátiles, y tanques sépticos. El material más utilizado para moldear es el polietileno, en especial el
HDPE. Otros plásticos incluyen el polipropileno, acrilonitrilo-butadieno-estireno y poliestireno
de alto impacto.
176 CAPÍTULO 8
Procesos para dar forma a los plásticos
8.9 Termoformado
El termoformado es un proceso en el que se calienta y deforma una lámina plana termoplástica
para hacer que adquiera la forma deseada. El proceso se utiliza mucho para empacar productos
de consumo y para fabricar artículos grandes como tinas de baño, tragaluces y forros interiores de
puertas para refrigeradores.
El termoformado consiste en dos etapas principales: calentamiento y formado. Por lo general, el calentamiento se realiza con el empleo de elementos calefactores eléctricos radiantes, localizados a ambos lados de la lámina de plástico inicial, a una distancia aproximada de 125 mm
(5 pulg). La duración del ciclo de calentamiento necesario para suavizar lo suficiente la lámina,
depende del espesor y color del polímero. Los métodos por los que se lleva a cabo la etapa de
formado se clasifican en tres categorías básicas: 1) termoformado al vacío, 2) termoformado
de presión y 3) termoformado mecánico. En el estudio de dichos métodos se describió el formado de
materiales en forma de lámina, pero en la industria del empaque, la mayor parte de operaciones
de termoformado se ejecutan sobre películas delgadas.
Termoformado al vacío Éste fue el primer proceso de termoformado (llamado tan sólo formado al vacío, cuando se creó en la década de 1950). Se utiliza una presión negativa para adherir la
lámina precalentada contra la cavidad de un molde. El proceso se explica en la figura 8.32, en su
forma más básica. Los orificios para inducir el vacío en el molde son del orden de 0.8 mm (0.031
pulg) de diámetro, por lo que su efecto sobre la superficie del plástico es menor.
Termoformado de presión Una alternativa para formar al vacío involucra a una presión positiva que fuerza al plástico calentado hacia la cavidad del molde. Ésta se llama termoformado de
presión, o formado por soplado; su ventaja sobre el formado al vacío es que es posible generar
presiones más grandes, ya que esta última se limita a un máximo teórico de 1 atm. En el formado
por soplado son comunes las presiones de 3 a 4 atm. La secuencia del proceso es similar a la
anterior, la diferencia estriba en que la lámina se presuriza desde arriba de la cavidad del molde.
En el molde hay orificios de conducción para expulsar el aire atrapado. En la figura 8.33 se ilustra
la porción formadora de la secuencia (etapas 2 y 3).
En este punto es útil distinguir entre los moldes positivo y negativo. Los moldes que se
muestran en las figuras 8.32 y 8.33 son moldes negativos debido a que tienen cavidades cóncavas. Un molde positivo tiene forma convexa. En el termoformado se utilizan ambos tipos. En el
caso del molde positivo, la lámina calentada se oprime sobre la forma convexa y se utiliza presión
negativa o positiva para forzar al plástico contra la superficie del molde. En la figura 8.34 se
muestra un molde positivo para el formado al vacío.
Podría parecer que la diferencia entre los moldes positivo y negativo carece de importancia,
porque las formas de la pieza son iguales en los diagramas. Sin embargo, si la pieza se presiona
(embute) contra un molde negativo, entonces su superficie exterior tendrá el mismo aspecto que
la de la cavidad del molde. La superficie interior será una aproximación del contorno y poseerá
un acabado correspondiente al de la lámina de inicio. Por el contrario, si la lámina se presiona
sobre un molde positivo, entonces su superficie interior será igual a la del molde convexo; y su
superficie exterior seguirá aproximadamente igual. En función de los requerimientos del producto, esta diferencia puede ser importante.
Otra diferencia está en el adelgazamiento de la lámina de plástico, que es uno de los problemas del termoformado. A menos que el contorno del molde sea muy somero, habrá un adelgazamiento significativo de la lámina según se estire para conformarse al contorno del molde. Los
moldes positivo y negativo producen patrones de adelgazamiento diferentes en una pieza dada.
Considere el lector la pieza en forma de tina que se muestra en nuestras figuras. En el molde
positivo, conforme la lámina se presiona sobre la forma convexa, la porción en contacto con la
superficie superior (que corresponde a la base de la tina) se solidifica con rapidez y no experimenta virtualmente ningún estiramiento. Esto da como resultado una base gruesa pero un adelgazamiento significativo de las paredes de la tina. Por el contrario, un molde negativo genera una
distribución más pareja del estiramiento y adelgazamiento de la lámina antes de que haga contacto con la superficie fría.
8.9 Termoformado 177
Calentador radiante
Abrazaderas (cerradas)
v
v
Lámina de plástico
Cavidad del molde
Orificios de vacío
Molde
1)
2)
Abrazaderas
(abiertas)
v
v
v Resto del
material
Pieza
moldeada
v
v
Vacío inducido
4)
3)
FIGURA 8.32 Termoformado al vacío: 1) una lámina de plástico se suaviza con calentamiento; 2) la
lámina suavizada se coloca sobre una cavidad de molde cóncava; 3) un vacío adhiere la lámina hacia la
cavidad, y 4) el plástico se endurece al contacto con la superficie fría del molde, y luego la pieza se retira
y recorta del resto del material. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P.
Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)
Entrada de aire
Caja de presión
Presión positiva
Lámina de
plástico calentada
v
v
Abrazaderas
Molde
2)
Vacío inducido
3)
FIGURA 8.33 Termoformado a presión. La secuencia es similar a la de la figura anterior, la diferencia está en que: 2) la lámina se
coloca sobre la cavidad de un molde, y 3) una presión positiva fuerza la lámina hacia la cavidad. (Crédito: Fundamentals of Modern
Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)
178 CAPÍTULO 8 Procesos para dar forma a los plásticos
Lámina de plástico
calentada
Molde positivo
v
v
Vacío inducido
1)
2)
FIGURA 8.34 Uso de un molde positivo en el termoformado al vacío: 1) la lámina de plástico calentada
se coloca sobre el molde convexo, y 2) la abrazadera baja hacia esa posición, y presiona la lámina sobre el
molde conforme el vacío la fuerza contra la superficie de éste. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)
Termoformado mecánico El tercer método, llamado termoformado mecánico, utiliza moldes
positivos y negativos que se juntan contra la lámina de plástico calentada, lo que la fuerza a adoptar la forma de ellos. En el método de formado mecánico puro no se utiliza en absoluto la presión
del aire. En la figura 8.35 se ilustra el proceso. Sus ventajas son que se tiene un control dimensional mejor y la oportunidad de detallar la superficie de la pieza por ambas caras. Su desventaja es
que se requieren dos mitades de molde; por tanto, los moldes son más costosos.
Aplicaciones El termoformado es un proceso de conformación secundario, el proceso primario
es el que produce la lámina o película (sección 8.3). Sólo los termoplásticos pueden termoformarse, ya que las láminas extruidas de polímeros termofijos o de elastómeros ya tienen enlazamiento
cruzado y no es posible suavizarlas volviéndolas a calentar. Los plásticos comunes para el termoformado son el poliestireno, acetato de celulosa y butirato acetato de celulosa, ABS, PVC, polietileno y polipropileno.
En la industria del empaque se llevan a cabo operaciones de termoformado para producción
en masa. La lámina o película inicial se alimenta con rapidez a través de la cámara de calentamiento y luego se le da mecánicamente la forma que se desea. Es frecuente que las operaciones
se diseñen para producir piezas múltiples a cada paso de la prensa con el empleo de moldes con
v
Molde positivo
Lámina de plástico
calentada
Molde negativo
Escape de aire
1)
2)
FIGURA 8.35 Termoformado mecánico: 1) lámina calentada sobre un molde negativo y 2) molde cerrado para dar forma a la lámina. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P.
Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)
8.11
Procesamiento y formado de espuma de polímero 179
muchas cavidades. En ciertos casos, la máquina de extrusión que produce la lámina o película se
localiza inmediatamente antes del proceso de termoformado, con lo que se elimina la necesidad
de recalentar el plástico. Para tener una eficiencia mayor, el proceso de llenado que coloca el artículo dentro del contenedor, se sitúa de inmediato después del termoformado.
Los artículos de película delgada para empaque que se producen en masa con termoformado
incluyen paquetes para resguardar pastillas y envolturas. Ofrecen una manera atractiva de presentar ciertos productos de consumo como cosméticos, artículos para baño, herramientas pequeñas
y sujetadores (grapas, tornillos, etc.). Las aplicaciones del termoformado incluyen piezas grandes
que pueden producirse a partir de láminas más gruesas. Algunos ejemplos incluyen cubiertas
para máquinas de oficina, cascos de lancha, regaderas, difusores de luz, anuncios de publicidad y
señalamientos, tinas para baño, recubrimientos internos para puertas de refrigerador y ciertos
juguetes.
8.10 Fundición
En la conformación (el dar la geometría) de polímeros, la fundición o colado involucra vaciar una
resina líquida a un molde, con el uso de la gravedad para llenar la cavidad, y dejar que el polímero se endurezca. Tanto los termoplásticos como los termofijos se funden. Algunos ejemplos de los
primeros incluyen los acrílicos, poliestireno, poliamidas (nylon) y vinilos (PVC).
Los polímeros termofijos para la fundición incluyen el poliuretano, poliésteres insaturados,
fenoles y epóxicos. El proceso involucra vaciar los ingredientes del líquido que forman el termofijo en un molde para que ocurra la polimerización y el enlazamiento cruzado. Quizá se requiera
calor y/o un catalizador en función del sistema de resina. Las reacciones deben ser lo suficientemente lentas para permitir el vaciado del molde por completo. Los sistemas termofijos de reacción rápida, como los de ciertos poliuretanos, requieren procesos alternativos para dar la forma
como el moldeo por inyección de reacción (sección 8.6.4).
Las ventajas de la fundición o colado sobre procesos alternativos como el moldeo por inyección incluyen las siguientes: 1) el molde es más sencillo y menos costoso, 2) el artículo fundido
está relativamente libre de esfuerzos residuales y memoria viscoelástica y 3) el proceso es apropiado para cantidades pequeñas de producción. Al centrarnos en la segunda ventaja, las láminas
de acrílico (plexiglás, Lucita), por lo general, se funden entre dos placas de vidrio muy pulidas.
El proceso de fundición permite un grado alto de planicidad y que se logren las cualidades ópticas que son deseables en las láminas de plástico transparente. Dichas planicidad y transparencia
no pueden obtenerse con la extrusión de láminas planas. Una desventaja de ciertas aplicaciones
es la contracción significativa de la pieza fundida durante la solidificación. Por ejemplo, las láminas de acrílico pasan por una contracción volumétrica de alrededor de 20% cuando se funden.
Esto es mucho más que en el moldeo por inyección, en el que se emplean presiones elevadas
para comprimir la cavidad del molde a fin de reducir la contracción.
Una aplicación de la fundición o colado que tiene importancia en la electrónica es el encapsulamiento, en el que artículos como transformadores, bobinas, conectores y otros componentes
eléctricos se encierran en plástico por medio de la fundición.
8.11
Procesamiento y formado de espuma de polímero
Una espuma de polímero es una mezcla de polímero y gas, lo que da al material una estructura
porosa o celular. Las espumas de polímero más comunes son el poliestireno (Styrofoam, marca
registrada) y poliuretano. Otros polímeros que se utilizan para fabricar espumas incluyen hules
naturales (“hule espumado”) y cloruro de polivinilo (PVC).
Las propiedades características de un polímero espumado incluyen: 1) baja densidad, 2) alta
resistencia por unidad de peso, 3) buen aislamiento térmico y 4) buenas cualidades de absorción
de energía. La elasticidad del polímero base determina la propiedad correspondiente de la espuma. Las espumas de polímero se clasifican [6] como 1) elastoméricas, en las que la matriz de
180 CAPÍTULO 8 Procesos para dar forma a los plásticos
polímero es un hule, capaz de absorber una gran deformación elástica; 2) flexibles, en el que la
matriz es un polímero muy plástico tal como el PVC suave, y 3) rígidas, en el que el polímero es
un termoplástico rígido tal como el poliestireno o un plástico termofijo como un fenólico. En
función de la formulación química y grado de entrecruzamiento, el poliuretano varía entre las tres
categorías.
Las propiedades de las espumas de polímero, así como la capacidad para controlar su comportamiento elástico a través de la selección del polímero base, hacen a estos materiales muy
apropiados para ciertos tipos de aplicaciones, inclusive recipientes para bebidas calientes, materiales estructurales para aislamiento de calor y núcleos de paneles estructurales, materiales de
empaque, materiales acojinados para muebles y almohadas, acojinamiento de tableros de automóvil y productos que requieren flotación.
Los gases comunes que se usan en las espumas de polímero son aire, nitrógeno y dióxido de
carbono. La proporción del gas varía hasta 90% o más. Éste se introduce en el polímero con varios
métodos, llamados procesos de espumado. Éstos incluyen: 1) el mezclado de una resina líquida
con aire por agitación mecánica, y después el endurecimiento del polímero por medio de calor o
reacción química; 2) el mezclado de un agente de soplado físico con el polímero, un gas como el
nitrógeno (N2) o el pentano (C5H12), que se disuelve en el polímero fundido sujeto a presión, de
modo que el gas sale de la solución y se expande cuando después se reduce la presión, y 3) la
mezcla del polímero con componentes químicos, llamados agentes de soplado químicos que se
descomponen a temperaturas altas y liberan gases como el CO2 o el N2 dentro de la mezcla.
Hay muchos procesos para dar forma a los productos de espuma de polímero. Debido a que
las dos espumas más importantes son el poliestireno y el poliuretano, el presente análisis se limita a los procesos para dar la forma a estos materiales. Debido a que el poliestireno es un termoplástico y el poliuretano puede ser un termofijo o bien un elastómero, los procesos que se estudian aquí para dichos materiales son representativos de los que se emplean en otras espumas de
polímero.
Las espumas de poliestireno reciben su forma por extrusión y moldeo. En la extrusión se
alimenta un agente de soplado químico o físico dentro del polímero fundido, cerca del extremo
del dado del cilindro extrusor; así, el extruido consiste en el polímero expandido. De esta manera
se fabrican láminas y tableros grandes, que después se cortan al tamaño para hacer paneles y
secciones aislantes del calor.
Para la espuma de poliestireno existen varios procesos de moldeo. Ya se analizó el moldeo
de espuma estructural (sección 8.6.4). Un proceso que se emplea más es el moldeo de espuma
expansible, en el que el material que se moldea por lo general consiste en bolas o formas redondeadas de poliestireno preespumadas. Éstas se producen a partir de pellets de poliestireno sólido
que han sido impregnadas de un agente de soplado físico. El preespumado se lleva a cabo en un
tanque grande por medio de la aplicación de vapor caliente para expandir parcialmente las partículas o pellets, en forma simultánea se agitan para impedir su fusión. Después, en el proceso de
moldeo, las bolas o formas redondeadas preespumadas se introducen a la cavidad del molde,
donde se expanden aún más y se funden entre sí para formar el producto moldeado. De este modo se producen tazas o recipientes para bebidas calientes, hechas de espuma de poliestireno. En
ciertos procesos, se omite la etapa de preespumado, y las formas redondeadas impregnadas se
introducen directamente a la cavidad del molde, donde se calientan, expanden y funden. En otras
operaciones, la espuma expansible primero es formada como una lámina plana con el proceso de
extrusión de película soplada (sección 8.3) y luego se le da forma con termoformado (sección
8.9) en contenedores para empaque, como cajas para huevos.
Los productos de espuma de poliuretano están hechos en un proceso de una etapa en el que
dos ingredientes líquidos (poliol e isocianato) se mezclan e introducen de inmediato a un molde
u otra forma, de modo que el polímero se sintetiza y al mismo tiempo se crea la forma de la pieza. Los procesos de conformación de la espuma de poliuretano se dividen en dos tipos básicos
[11]: aspersión y vaciado. La aspersión involucra el empleo de una pistola de rocío en el que los
dos ingredientes se introducen de manera continua, se mezclan y luego se rocían sobre una superficie objetivo. Las reacciones que llevan a la polimerización y espumado ocurren después de la
aplicación sobre la superficie. Este método se utiliza para aplicar espumas rígidas de aislamiento
a paneles para la construcción, vagones y objetos grandes similares. El vaciado involucra la apli-
8.12
Consideraciones sobre el diseño del producto 181
cación de los ingredientes desde una cabeza mezcladora hacia un molde abierto o cerrado en el
que tienen lugar las reacciones. Un molde abierto puede ser un contenedor con el contorno requerido (por ejemplo, para un asiento acojinado de automóvil) o un canal largo que se mueve con
lentitud por el distribuidor de vaciado para fabricar secciones de espuma continuas y largas. El
molde cerrado es una cavidad cerrada por completo en la que se introduce cierta cantidad de la
mezcla. La expansión de los reactivos llena por completo la cavidad para formar la pieza. Para
poliuretanos de reacción rápida, la mezcla debe inyectarse de prisa a la cavidad del molde con el
empleo de moldeo por inyección de reacción (sección 8.6.4). El grado de enlace cruzado, controlado por los ingredientes de arranque, determina la rigidez relativa de la espuma resultante.
8.12
Consideraciones sobre el diseño del producto
Los plásticos son un material importante de diseño, pero el diseñador debe estar alerta de sus limitaciones. En esta sección se enlistan algunos lineamientos de diseño para componentes de
plástico, se comienza con las que se aplican en general, y siguen las aplicables a la extrusión y
moldeo (moldeo por inyección, por compresión y transferencia).
Existen lineamientos generales que se aplican sin importar el proceso para dar forma. Sobre
todo son limitaciones de los materiales plásticos que el diseñador debe tomar en consideración.
• Resistencia y rigidez: Los plásticos no son tan resistentes o rígidos como los metales. No
deben usarse en aplicaciones en las que se vayan a encontrar esfuerzos grandes. La resistencia a la termofluencia también es una limitante. Las propiedades de resistencia varían en
forma significativa entre los plásticos, y en ciertas aplicaciones las razones resistencia a peso
de algunos de ellos son competitivas con las de los metales.
• Resistencia al impacto: La capacidad que tienen los plásticos de absorber impactos por lo
general es buena; se comparan de modo favorable con la mayoría de metales.
• Temperaturas de servicio: Con respecto de las de los metales y cerámicos, las de los plásticos son limitadas.
• Expansión térmica: Es mayor para los plásticos que para los metales; por lo que los cambios
dimensionales debidos a las variaciones de temperatura son mucho más significativos que
para los metales.
• Muchos tipos de plásticos están sujetos a degradación por la luz solar y otras formas de radiación. Asimismo, algunos se degradan en atmósferas de oxígeno y ozono. Por último, los
plásticos son solubles en muchos solventes comunes. Por el lado positivo, son resistentes a
los mecanismos convencionales de corrosión que afectan a muchos metales. La debilidad de
plásticos específicos debe ser tomada en cuenta por el diseñador.
La extrusión es uno de los procesos más ampliamente utilizado para dar forma a los plásticos. A continuación se presentan varias recomendaciones de diseño para el proceso convencional
(recopiladas sobre todo de la referencia [3]).
• Espesor de pared: En la sección transversal extruida es deseable un espesor uniforme de la
pared. Las variaciones de éste darán como resultado un flujo no uniforme del plástico y enfriamiento irregular que tenderá a pandear o deformar el extruido.
• Las secciones huecas complican el diseño del dado y el flujo del plástico. Es deseable utilizar secciones transversales extruidas que no sean huecas pero que satisfagan los requerimientos funcionales.
• Esquinas: En la sección transversal deben evitarse las esquinas agudas, dentro y fuera, porque dan como resultado un flujo irregular durante el procesamiento y concentraciones de
esfuerzos en el producto final.
Los siguientes lineamientos se aplican al moldeo por inyección, por compresión y transferencia (recopilados de [3], [10] y otras fuentes).
• Cantidades económicas de producción. Cada parte moldeada requiere un molde único, el
cual para cualquiera de estos procesos es costoso, en particular para el moldeo por inyección.
182 CAPÍTULO 8 Procesos para dar forma a los plásticos
•
•
•
•
•
•
TABLA 8.2
Las cantidades mínimas de producción para este proceso son de alrededor de 10 000 piezas;
para el moldeo por compresión, 1 000 piezas es lo mínimo, debido a los diseños más sencillos del molde que se necesita. El moldeo por transferencia se ubica entre las dos cifras anteriores.
Complejidad de la pieza. Si bien las configuraciones geométricas más complejas de la pieza
significan moldes más costosos, puede ser económico diseñar un molde complejo si la alternativa involucra muchos componentes individuales que se ensamblen juntos. Una ventaja del
moldeo de plástico es que permite combinar en una parte varias características funcionales.
Espesor de pared. Las secciones transversales gruesas por lo general son indeseables; con
ellas se desperdicia material, es más probable que se causen pandeos o deformaciones por la
contracción, y les toma más tiempo endurecer. Es posible usar costillas de refuerzo en las
partes de plástico moldeado para obtener mayor rigidez sin un espesor de pared excesivo.
Las costillas deben ser más delgadas que las paredes que refuerzan, a fin de minimizar las
marcas de hundimiento en la pared exterior.
Radios de las esquinas y biseles. Las esquinas agudas, tanto externas como internas, son
indeseables en las piezas moldeadas; interrumpen el flujo suave del material fundido, tienden a crear defectos superficiales y ocasionan concentración de esfuerzos en la pieza terminada.
Orificios. Es muy factible que ocurran en los moldeos de plástico, pero complican el diseño
del molde y la remoción de la pieza. También generan interrupciones en el flujo del material
fundido.
Ángulo de salida. Una pieza moldeada debe diseñarse con un ángulo de salida (ahusamiento) en sus lados para facilitar la remoción del molde. Esto tiene importancia especial en la
pared interior de una pieza en forma de taza, porque el plástico moldeado se contrae contra
la forma positiva del molde. El ángulo de salida recomendable para los termofijos es alrededor de 1/2° a 1°; para los termoplásticos, por lo general varía entre 1/8° y 1/2°. Los proveedores de compuestos de plástico para moldeo proporcionan valores recomendados del ahusado para sus productos.
Las tolerancias especifican las variaciones permisibles de la manufactura de una pieza. Aunque la contracción es predecible en condiciones muy controladas, son deseables tolerancias
generosas para los moldeos por inyección debido a la variación de los parámetros del proceso que afectan la contracción. En la tabla 8.2 se listan las tolerancias comunes para las dimensiones de piezas moldeadas con plásticos seleccionados.
Tolerancias típicas en piezas moldeadas para plásticos seleccionados
Tolerancias paraa
Plástico
Dimensión de 50 mm
Orificio de 10 mm
Plástico
Dimensión de 50 mm
Orificio de 10 mm
Termofijo:
Termoplástico:
ABS
Polietileno
Poliestireno
Tolerancias paraa
±0.2 mm (±0.007 pulg) ±0.2 mm (±0.007 pulg)
±0.3 mm (±0.010 pulg) ±0.3 mm (±0.010 pulg)
±0.15 mm (±0.006 pulg)
±0.15 mm (±0.006
pulg)
Epóxicos ±0.15 mm (±0.006 pulg) ±0.05 mm (±0.002 pulg)
Fenoles
±0.2 mm (±0.008 pulg) ±0.08 mm (±0.003 pulg)
Los valores representan la práctica comercial del moldeo. Recopilados de [3], [7], [14] y [19].
a Para tamaños pequeños, las tolerancias pueden reducirse. Para tamaños más grandes, se requieren tolerancias más generosas.
Preguntas de repaso 183
Referencias
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
[10]
Baird, D. G. y Collias, D. I., Polymer Processing Principles
and Design. John Wiley & Sons, Inc., Nueva York, 1998.
Billmeyer, Fred, W., Jr. Textbook of Polymer Science. 3a.
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Bralla, J. G. (editor en jefe). Design for Manufacturability
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Preguntas de repaso
8.1. ¿Cuáles son algunas de las razones por las que son importantes los procesos para dar forma a los plásticos?
8.2. Identifique las categorías principales de los procesos para
dar forma a los plásticos, según se clasifican por la configuración geométrica del producto resultante.
8.3. En los procesos de formado de plásticos, la viscosidad es
una propiedad importante de un polímero fundido. ¿De qué
parámetros depende la viscosidad?
8.4. ¿En qué difiere la viscosidad de un polímero fundido, de la
mayor parte de fluidos newtonianos?
8.5. ¿Qué significa viscoelasticidad, si se aplica a un polímero
fundido?
8.6. Defina el significado de dilatación del dado en el proceso de
la extrusión.
8.7. Describa brevemente el proceso de extrusión de plástico.
8.8. El cilindro y tornillo de un extrusor por lo general se dividen
en tres secciones, identifique cada una de ellas.
8.9. ¿Cuáles son las funciones del paquete de filtrado y placa
rompedora en el extremo del dado del cilindro extrusor?
8.10. ¿Cuáles son las diversas formas de geometrías extruidas y
los dados correspondientes?
8.11. ¿Cuál es la diferencia entre lámina y película de plástico?
8.12. ¿En qué consiste el proceso de soplar película para producir
ésta?
8.13. Describa el proceso de calandrado.
8.14. Las fibras y filamentos de polímero se utilizan en varias aplicaciones; ¿cuál de éstas es la aplicación comercial más importante?
8.15. ¿Cuál es la diferencia técnica entre una fibra y un filamento?
8.16. Describa brevemente el proceso de moldeo por inyección.
8.17. Una máquina de moldeo por inyección se divide en dos componentes principales; menciónelos.
8.18. ¿Cuáles son las funciones de las compuertas en los moldes
de inyección?
8.19. ¿Cuáles son las ventajas de un molde de tres placas sobre
uno de dos, en el moldeo por inyección?
8.20. Analice algunos de los defectos que ocurren en el moldeo
por inyección de plástico.
8.21. ¿Cuáles son las diferencias significativas en el equipo y procedimientos de operación entre el moldeo por inyección de
termoplásticos y el moldeo por inyección de termofijos?
8.22. ¿Qué es moldeo por inyección de reacción?
8.23. ¿Qué clase de artículos se producen por medio del moldeo
por soplado?
8.24. ¿Cuál es la forma del material de inicio en el termoformado?
8.25. En el termoformado, ¿cuál es la diferencia entre un molde
positivo y uno negativo?
8.26. ¿Por qué los moldes del termoformado mecánico por lo general son más costosos que en el de presión o vacío?
8.27. ¿Cuáles son algunas de las consideraciones generales que
los diseñadores de productos deben tener en cuenta al diseñar componentes hechos de plástico?
184 CAPÍTULO 8 Procesos para dar forma a los plásticos
Problemas
8.1. El diámetro de un cilindro extrusor es de 65 mm, y su longitud es de 1.75 m. El tornillo gira a 55 rev/min. La profundidad del canal del tornillo es de 5.0 mm y el ángulo de la paleta es de 18°. La presión estática en el dado en el extremo
del cilindro es de 5.0 × 106 Pa. La viscosidad del polímero
fundido se da como de 100 Pa-s. Encuentre la velocidad de
flujo del plástico en el cilindro.
8.2. Un cilindro extrusor tiene un diámetro de 110 mm y una
longitud de 3.0 m. La profundidad del canal del tornillo es de
7.0 mm, y la separación entre sus cuerdas es de 95 mm. La
viscosidad del polímero fundido es de 105 Pa-s, y la presión
estática en el cilindro es de 4.0 MPa. ¿Cuál es la velocidad
rotacional del tornillo que se requiere para lograr una velocidad de flujo volumétrico de 90 cm3/s?
8.3. Un extrusor tiene un diámetro de 80 mm y longitud de 2.0 m.
Su tornillo tiene una profundidad de canal de 5 mm, un ángulo de paleta o hélice de 18 grados, y gira a 1 rev/s. El
plástico fundido tiene una viscosidad de deformación tangencial de 150 Pa-s. Determine la característica del extrusor
con el cálculo de Qmáx y pmáx, y luego encuentre la ecuación
de la línea recta entre esos valores.
8.4. Determine el ángulo A de la hélice de modo que el paso p del
tornillo sea igual al diámetro de este D. En la extrusión de
plásticos, esto se llama el ángulo “cuadrado”, aquel que provee un avance de la paleta o hélice igual a un diámetro por
cada rotación del tornillo.
8.5. Un cilindro extrusor tiene un diámetro de 2.5 pulg. El tornillo gira a 60 rev/min; la profundidad de su canal es de 0.20
pulg, y el ángulo de hélice o paleta de 17.5°. La presión estática en el extremo del dado del cilindro es de 800 lb/pulg2,
y la longitud de éste es de 50 pulg. La viscosidad del polímero fundido es de 122 × 10–4 lb-s/pulg2. Determine la velocidad de flujo volumétrico del plástico en el cilindro.
8.6. Un cilindro extrusor tiene un diámetro de 4.0 pulg y una razón L/D de 28. La profundidad del canal del tornillo es de
0.25 pulg, y su paso es de 4.8 pulg. Gira a 60 rev/min. La
viscosidad del polímero fundido es de 100 × 10–4 lb-s/pulg2.
¿Cuál es la presión estática que se requiere para obtener una
velocidad de flujo volumétrico de 150 pulg3/min?
8.7. Un extrusor tiene un cilindro con diámetro y longitud de 100
mm y 2.8 m, respectivamente. La velocidad rotacional del
tornillo es de 50 rev/min, la profundidad de canal de 7.5 mm
y el ángulo de la paleta o hélice es de 17°. El plástico fundido tiene una viscosidad de corte de 175 Pa-s. Determine: a)
la característica del extrusor, b) el factor de forma Ks, para
una abertura circular de dado con diámetro de 3.0 mm y longitud de 12.0 mm y c) el punto de operación (Q y p).
8.8. Considere un extrusor en el que el diámetro del cilindro es
de 4.5 pulg con longitud de 11 pies. El tornillo extrusor gira
a 60 rev/min; tiene una profundidad de canal de 0.35 pulg y
ángulo de hélice de 20°. El plástico fundido tiene una viscosidad de corte de 125 × 10–4 lb-s/pulg2. Determine: a) Qmáx
y pmáx; b) el factor de forma Ks para una abertura circular en
el dado, en la que Dd = 0.312 pulg y Ld = 0.75 pulg, y c) los
valores de Q y p en el punto de operación.
8.9. La dimensión especificada para cierta pieza moldeada por inyección hecha de ABS es de 225.00 mm. Calcule la dimensión
8.10.
8.11.
8.12.
8.13.
8.14.
8.15.
8.16.
correspondiente a la que debe maquinarse la cavidad del molde, con el uso del valor de contracción que se da en la tabla 8.1.
La dimensión de cierta pieza moldeada por inyección hecha
de policarbonato se especifica como de 3.75 pulg. Calcule la
dimensión correspondiente a la que debe maquinarse la cavidad del molde, con el uso del valor de contracción que se da
en la tabla 8.1.
El supervisor en un departamento de moldeo por inyección
dice que una de las piezas de polipropileno producida en una
de las operaciones tiene una contracción mayor de la que los
cálculos indican que debería tener. La dimensión importante
de la pieza se especifica como de 112.5 ± 0.25 mm. Sin embargo, la pieza real moldeada mide 112.02 mm. a) Como
primer paso, debe revisarse la dimensión correspondiente de
la cavidad del molde. Calcule el valor correcto de la dimensión del molde, dado que el valor de contracción para el polietileno es de 0.025 (de la tabla 8.1). b) ¿Qué ajustes deben
hacerse en los parámetros del proceso para reducir la cantidad de contracción?
El dado de extrusión para un parison de polietileno que se usa
en el moldeo por soplado tiene un diámetro medio de 18.0
mm. El tamaño del anillo que abre el dado es de 2.0 mm. Se
observa que el diámetro medio del parison se expande a un
tamaño de 21.5 mm después de salir del orificio del dado. Si
el diámetro del contenedor moldeado por soplado ha de ser
de 150 mm, determine a) el espesor de pared correspondiente
del contenedor y b) el espesor de pared del parison.
Un parison se extruye con un dado cuyo diámetro exterior es
de 11.5 mm y el interior de 7.5 mm. La expansión observada
del dado es de 1.25. El parison se usa para moldear por soplado el contenedor de una bebida cuyo diámetro exterior es
de 112 mm (tamaño estándar de una botella de refresco de 2
litros). a) ¿Cuál es el espesor de pared correspondiente del
contenedor? b) Obtenga una botella vacía de plástico de refresco de 2 litros y córtela (con cuidado) a través de su diámetro. Con el uso de un micrómetro mida el espesor de pared y compárelo con su respuesta para el inciso a).
Una operación de extrusión se utiliza para producir un parison cuyo diámetro medio es de 27 mm. Los diámetros interior y exterior del dado que produce el parison son 18 mm y
22 mm, respectivamente. Si el espesor de pared mínimo del
contenedor moldeado por soplado ha de ser de 0.40 mm,
¿cuál es el diámetro máximo posible del molde soplado?
Una operación de moldeo rotacional va a usarse para moldear una pelota hueca hecha de polipropileno. La pelota tendrá un diámetro de 1.25 pies y el espesor de su pared debe
ser 3/32 pulg. ¿Cuál es el peso del polvo PE que debe cargarse en el molde a fin de cumplir esas especificaciones? La
gravedad específica del grado PE es de 0.90 y la densidad del
agua es de 62.4 lb/pies3.
El problema en cierta operación de termoformado es que hay
un gran adelgazamiento en las paredes de una pieza grande en
forma de taza. La operación es de termoformado a presión
convencional que usa un molde positivo y el plástico es una
lámina ABS con espesor inicial de 3.2 mm. a) ¿Por qué ocurre
el adelgazamiento en las paredes de la taza? b) ¿Qué cambios
podrían hacerse en la operación, a fin de corregir el problema?
9
Procesos para dar forma
al hule y a los materiales
compósitos de matriz
polimérica (PMC)
CONTENIDO DEL CAPÍTULO
9.1
9.2
9.3
9.4
Procesamiento y formado del hule
9.1.1 Producción de hule
9.1.2 Composición
9.1.3 Mezclado
9.1.4 Formación y procesos relacionados
9.1.5 Vulcanización
Manufactura de neumáticos y otros
productos de hule
9.2.1 Neumáticos
9.2.2 Otros productos de hule
9.2.3 Procesamiento de elastómeros
termoplásticos
Materiales y procesos para dar forma
a los PMC
9.3.1 Materias primas para PMC
9.3.2 Combinación de la matriz y el refuerzo
Procesos con molde abierto
9.4.1 Aplicado manual
9.5
9.6
9.7
9.8
9.4.2 Aplicado por aspersión
9.4.3 Máquinas de aplicación automatizada
con cinta
9.4.4 Curado
Procesos con molde cerrado
9.5.1 Procesos de moldeo por compresión
para PMC
9.5.2 Procesos de moldeo por transferencia
para PMC
9.5.3 Procesos de moldeo por inyección
para PMC
Bobinado de filamentos
Procesos de pultrusión
9.7.1 Pultrusión
9.7.2 Pulformado
Otros procesos de formado para PMC
Muchos de los procesos que se usan para dar forma a los plásticos (capítulo 8) también son aplicables a los hules (también llamados cauchos) y a los materiales compósitos con matriz polimérica. Sin embargo, es frecuente que los procesos para dar forma deban adaptarse debido a las
diferencias en estos materiales. En este capítulo se analizan las adaptaciones y las diferencias.
La industria del hule está muy separada de la del plástico y los bienes elaborados con hule se
encuentran dominados por un solo producto: los neumáticos. Éstas se emplean en gran número
para automóviles, camiones, aeronaves y bicicletas. La tecnología del hule puede rastrearse hasta 1839, con el descubrimiento por Charles Goodyear de la vulcanización, el proceso mediante el
cual el hule natural se transforma en un material útil por medio del enlace entrecruzado de las
moléculas del polímero. Durante su primer siglo, la industria del hule sólo tenía que ver con el
procesamiento de hule natural. Durante la Segunda Guerra Mundial se inventaron los hules sintéticos; hoy día éstos constituyen la mayoría de la producción de hule. Los neumáticos y muchos
otros productos de hule son en realidad materiales compósitos de matriz polimérica debido a que
contienen negro de humo como fase de refuerzo. Los neumáticos y las bandas transportadoras de
186 CAPÍTULO 9 Procesos para dar forma al hule y a los materiales compósitos de matriz polimérica (PMC)
hule también son estructuras de material compósito debido a que incluyen alambres de acero o
materiales de otro tipo para limitar la cantidad de extensión que experimenta el producto. En
la sección 9.1 se analiza la tecnología de procesamiento del hule y en la sección 9.2 se estudia la
fabricación de neumáticos y otros productos de hule.
La cobertura de este capítulo también incluye los procesos de manufactura mediante los cuales
se forman productos y componentes útiles a partir de compósitos de matriz polimérica. Un compósito con matriz polimérica (Polymeric Matrix Composite); es un material compósito que consiste
en un polímero incorporado a una fase de refuerzo como fibras o polvos. La importancia tecnológica y comercial de los procesos descritos en este capítulo deriva del uso creciente de esta clase de
materiales, especialmente los polímeros reforzados con fibra (FRP, Fiber-Reinforced Polymers).
Popularmente, al hablar de PMC en realidad se hace referencia a los polímeros reforzados con fibra.
Los compósitos de FRP pueden diseñarse con relaciones muy altas de resistencia y rigidez a peso.
Estas características los hacen atractivos para aviones, automóviles, camiones, barcos y equipo deportivo. Los procesos de formado para los PMC se analizan en las secciones 9.3 a 9.8.
9.1
Procesamiento y formado del hule
La producción de artículos de hule se divide en dos etapas básicas: 1) producción del hule en sí
y 2) procesamiento de éste para obtener artículos terminados. La producción de hule difiere, en
función de si es natural o sintético. El hule natural (NR, Natural Rubber) se produce como cultivo agrícola, en tanto que la mayoría de los sintéticos se fabrican a partir del petróleo.
A la producción de hule sigue su procesamiento hacia los productos finales; éste consiste en
1) composición, 2) mezclado, 3) dar forma y 4) vulcanización. Las técnicas de procesamiento
para hules naturales y sintéticos son virtualmente las mismas, las diferencias están en los productos químicos que se emplean para hacer la vulcanización (enlazamiento entrecruzado). Esta secuencia no se aplica a los elastómeros termoplásticos, cuyas técnicas para dar forma son las
mismas que para los demás polímeros termoplásticos.
Hay varias industrias diferentes involucradas en la producción y procesamiento del hule. La
producción de hule crudo natural puede clasificarse como agricultura, puesto que el látex, ingrediente de inicio del hule natural, se cultiva en plantaciones extensas ubicadas en climas tropicales.
Por el contrario, los hules sintéticos los produce la industria petroquímica. Por último, el procesamiento de estos materiales en forma de neumáticos, suelas de calzado y otros productos de hule
tiene lugar en plantas procesadoras (fábricas). Las procesadoras se conocen por lo común como
industria del hule. Algunos de los nombres principales en esta industria incluyen los de Goodyear,
B. F. Goodrich y Michelin. La importancia de los neumáticos se ve reflejada en estos nombres.
9.1.1
Producción de hule
En esta sección se estudia brevemente la producción de hule antes de que pase al procesador. El
análisis diferencia el hule natural del sintético.
Hule natural El hule natural se obtiene del árbol del hule (Hevea brasiliensis), en forma de látex.
Los árboles se cultivan en plantaciones del sureste de Asia y otras partes del mundo. El látex es
una dispersión coloidal de partículas sólidas del polímero poliisopreno (sección 2.3.3) en agua.
El poliisopreno es la sustancia química que incluye al hule, y la emulsión lo contiene en un 30%. El
látex se almacena en tanques grandes, donde se mezcla el producto de varios árboles.
El método preferido de obtención del hule a partir del látex involucra la coagulación. Primero
se diluye el látex con agua a cerca de la mitad de su concentración natural. Se agrega un ácido como
el fórmico (HCOOH) o acético (CH3COOH) para hacer que el látex se coagule al cabo de 12 horas.
El coágulo, ahora en forma de trozos sólidos suaves, se exprime a través de una serie de rodillos que
expulsan la mayor parte del agua y reducen el espesor a 3 mm (1/8 pulg). Los últimos rodillos tienen
muescas que le dan un patrón cuadriculado a las hojas resultantes. Luego, éstas se comprimen sobre
marcos de madera para secarlas en ahumaderos. El humo caliente contiene creosota, que impide la
9.1
Procesamiento y formado del hule 187
formación de moho y la oxidación del hule. Normalmente se requieren varios días para terminar el
proceso de secado. El hule resultante, ahora en una forma llamada hoja ahumada acanalada, se
pliega en pacas grandes para su envío al procesador. Este hule natural tiene un color café oscuro
característico. En ciertos casos, las hojas se secan con aire caliente en vez de ahumadores por lo que
se aplica el término hoja secada al aire; se considera que éste es el mejor grado de hule. Un grado
aún mejor, es el denominado hule crespón o hule de crepé pálido, involucra dos etapas de coagulación; la primera retira los componentes indeseables del hule, y el coágulo que resulta se sujeta luego
a un lavado más intenso y a un procedimiento de trabajo mecánico, seguido por el secado con aire
caliente. El color del crespón pálido de hule se parece al del tostado claro.
Hule sintético Los distintos tipos de hule sintético se identifican en la sección 2.3.3. La mayor
parte de sintéticos se producen a partir del petróleo con las mismas técnicas de polimerización que
se emplean para sintetizar otros polímeros. Sin embargo, a diferencia de los polímeros termoplásticos y termofijos, que se entregan al fabricante en su presentación normal de pellets (partículas) o
resinas líquidas, los hules sintéticos se le dan a los procesadores en forma de pacas grandes. La industria ha implantado una larga tradición de manejar el hule natural en estas unidades de carga.
9.1.2
Composición
El hule se compone o mezcla siempre con aditivos. Es con la composición que el hule específico
se diseña para satisfacer la aplicación dada en términos de propiedades, costo y susceptibilidad
de procesamiento. La composición agrega productos químicos para la vulcanización. El azufre se
ha utilizado tradicionalmente para este propósito. El proceso de vulcanización se estudia en la
sección 9.1.5.
Los aditivos incluyen productos de relleno que actúan tanto para mejorar las propiedades
mecánicas del hule (rellenos reforzadores) como para mezclarlo y reducir su costo (rellenos no
reforzadores). El relleno simple más importante de los hules es el negro de humo, forma coloidal
del carbono, de color negro, que se obtiene por descomposición térmica de los hidrocarburos
(hollín). Su efecto es incrementar la resistencia a la tensión, a la abrasión y a la separación del
producto final. El negro de humo también da protección contra la radiación ultravioleta. Estas
mejoras tienen especial importancia para los neumáticos. La mayoría de las piezas de hule son de
color negro debido a su contenido de negro de humo.
Aunque el negro de humo es el relleno más importante, también se usan otros, que incluyen
arcillas chinas, silicatos hidratados de aluminio (Al2Si2O5(OH4)), que proporcionan menos refuerzo que el negro de humo pero se usan cuando el color negro no resulta aceptable; el carbonato de calcio (CaCO3), que es un relleno no reforzador; el sílice (SiO2), que tiene funciones de
reforzador o no reforzador, en función del tamaño de sus partículas, y otros polímeros como el
estireno, PVC y fenoles. También se agrega hule recuperado (reciclado) como relleno en ciertos
productos, pero por lo general no excede la proporción de 10%.
Otros aditivos de la composición del hule incluyen antioxidantes para retardar el envejecimiento por oxidación, productos químicos que dan protección contra la fatiga, y el ozono, pigmentos, aceites plastificadores y suavizantes, agentes de soplado para producir hule espuma y
compuestos antiadherentes para liberarlo del molde.
Muchos productos requieren filamentos de refuerzo para reducir la extensibilidad y conservar otras propiedades deseables del hule. Ejemplos notables de esto son los neumáticos y las
bandas transportadoras. Los filamentos que se usan para este propósito incluyen celulosa, nylon
y poliéster. La fibra de vidrio y el acero también se emplean como refuerzo (por ejemplo, neumáticos radiales con cinturones de acero). Estos materiales de fibra continua deben agregarse como
parte del proceso para dar forma; no se mezclan con los demás aditivos.
9.1.3
Mezclado
Los aditivos deben mezclarse por completo con el hule base para obtener una dispersión uniforme de los ingredientes. Los hules sin ser curados tienen viscosidad elevada. El trabajo mecánico
188 CAPÍTULO 9 Procesos para dar forma al hule y a los materiales compósitos de matriz polimérica (PMC)
F, v
FIGURA 9.1 Mezcladores que se usan para procesar el hule: a) molino de
dos rodillos y b) mezclador
interno tipo Banbury. Estas
máquinas también se emplean para “masticación”
del hule natural. (Crédito:
Fundamentals of Modern
Manufacturing, 4a. ed., de
Mikell P. Groover, 2010.
Reimpreso con autorización
de John Wiley & Sons, Inc.)
Ariete
Tolva
Hule
Rodillos
Marco
Carcasa
Canales de
enfriamiento
Rotor
Puerta de descarga
a)
b)
que experimenta el hule llega a incrementar su temperatura hasta 150 °C (300 °F). Si los agentes
de vulcanización estuvieran presentes desde que comienza la mezcla, ocurriría una vulcanización
prematura, la pesadilla del procesador de hule [15]. En consecuencia, por lo general se emplea un
proceso de mezclado en dos etapas. En la primera de ellas, se combina negro de humo y otros
aditivos no vulcanizadores con el hule crudo. El término lote maestro se emplea para esta primera etapa de mezclado. Después de completada la mezcla, y que se ha dado tiempo para que se
enfríe, se efectúa la segunda etapa, en la que se agregan agentes vulcanizadores.
El equipo para mezclar incluye un molino de dos rodillos y mezcladores internos como el
Banbury (figura 9.1). El molino de dos rodillos consiste en dos rodillos paralelos, apoyados en
un marco de modo que pueden acercarse para obtener el “pellizco” (tamaño de la abertura o espesor) que se desea, y se hacen rotar con las mismas velocidades u otras ligeramente distintas. Un
mezclador interno tiene dos rotores contenidos en una carcasa, como se aprecia en la figura 9.1b),
para el mezclador interno tipo Banbury. Los rotores tienen navajas y giran en direcciones opuestas a velocidades diferentes, lo que ocasiona un patrón de flujo complejo en la mezcla contenida.
9.1.4
Formación y procesos relacionados
Los procesos para dar forma a los productos de hule se dividen en cuatro categorías básicas:
1) extrusión, 2) calandrado, 3) recubrimiento y 4) moldeo y fundición. La mayoría de estos procesos se estudió en el capítulo anterior. En éste se examinarán los temas especiales que surgen
cuando se aplican al hule. Ciertos productos requieren varios procesos básicos más un trabajo de
ensamble en su manufactura; por ejemplo, los neumáticos.
Extrusión La extrusión de polímeros se estudia en la sección 8.2. Para extruir el hule, por lo
general se emplean extrusores de tornillo. Igual que con la extrusión de plásticos termofijos, la
razón L/D de los barriles extrusores es menor que la de los termoplásticos, y es común que esté
en el rango de 10 a 15 para reducir el riesgo de un enlazamiento entrecruzado prematuro. La dilatación del dado ocurre con los extruidos de hule, ya que el polímero se encuentra en una condición muy plástica y presenta la propiedad de memoria (original). Aún no ha sido vulcanizado.
Calandrado Este proceso implica pasar el material de hule a través de una serie de espacios de
tamaño decreciente entre un conjunto de rodillos rotatorios (sección 8.3). El equipo que se emplea en la industria del hule es más pesado que el que se usa para los termoplásticos, ya que aquél
es más viscoso y difícil de conformar. La salida del proceso es una hoja de hule de espesor determinado por el espacio final entre los rodillos; de nuevo, la hoja se dilata, lo que hace que el espesor sea ligeramente mayor que el tamaño del espacio.
9.1
Procesamiento y formado del hule 189
Rodillos
Tornillo
FIGURA 9.2 Proceso con dado laminador:
extrusión del hule seguida de rolado. (Crédito:
Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a.
ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con
autorización de John Wiley & Sons, Inc.)
Producto
F
v
Cilindro
Hay problemas para producir hojas gruesas, sea por extrusión o calandrado. El control del
espesor es difícil en el proceso original, y en el posterior ocurre un entrampamiento del aire.
Estos problemas se resuelven en gran medida con la combinación de la extrusión y el calandrado
en el proceso de dado laminador (figura 9.2). El dado extrusor es una rendija que alimenta a los
rodillos de calandrado.
Recubrimiento El recubrimiento o impregnación de telas con hule es un proceso importante en
la industria de éste. Estos materiales compósitos se emplean en los neumáticos para automóviles,
bandas transportadoras, balsas inflables, y telas impermeables para toldos, tiendas e impermeables. El recubrimiento de hule sobre un sustrato de tela incluye varios procesos. Uno de los
métodos para recubrir es el calandrado. La figura 9.3 ilustra una forma posible en la que se alimenta la tela a los rodillos del calandrado para obtener una hoja de hule reforzado.
Las alternativas del calandrado incluyen desnatado, inmersión y aspersión. En el proceso de
desnatado, se aplica una solución espesa de compuesto de hule en un solvente orgánico a la tela
conforme se desenrolla desde un carrete surtidor. La tela recubierta pasa por la herramienta de
bisturí que desnata el solvente al espesor apropiado, y luego se lleva a una cámara de vapor en la
que se quita el solvente por medio de calor. Como sugiere su nombre, la inmersión involucra
inmersión temporal de la tela en una solución muy fluida de hule, seguida por secado. De igual
modo, en la aspersión se utiliza una pistola rociadora para aplicar la solución de hule.
Moldeo y fundición Los artículos moldeados incluyen suelas de zapato y tacones, juntas y sellos, copas de succión y tapas de botella. Muchas partes de hule espumado (hule espuma) se
producen con moldeo. Además, éste es un proceso importante en la producción de neumáticos.
Los principales procesos de moldeo de hule son: 1) por compresión, 2) por transferencia y 3) por
inyección. El moldeo por compresión es la técnica más importante debido a su uso en la manufactura de neumáticos. El curado (vulcanización) se lleva a efecto en el molde con los tres procesos, lo que representa una diferencia de los métodos para dar forma que ya se estudiaron, y requiere de una etapa separada de vulcanización. Con el moldeo por inyección del hule, hay riesgos
de un curado prematuro similar a la que se enfrenta en el mismo proceso cuando se aplica a
plásticos termofijos. Las ventajas del moldeo por inyección sobre los métodos tradicionales para
producir piezas de hule incluyen un mejor control dimensional, y menor duración del ciclo. Además de su uso en el moldeo de hules convencionales, el moldeo por inyección también se aplica
Rodillos
de calandrado
FIGURA 9.3 Recubrimiento
de tela con hule, con el uso del
proceso de calandrado. (Crédito: Fundamentals of Modern
Manufacturing, 4a. ed., de
Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John
Wiley & Sons, Inc.)
Material
Tela o sustrato
Al carrete
de enrollado
Tela o sustrato
recubierto
190 CAPÍTULO 9 Procesos para dar forma al hule y a los materiales compósitos de matriz polimérica (PMC)
a elastómeros termoplásticos. Debido a los altos costos del molde, se requiere que el moldeo por
inyección se justifique con grandes cantidades de producción.
Para producir guantes y botas de hule se utiliza una forma de fundición llamada fundición
por inmersión (sumergida). Involucra la inmersión de un molde positivo en un polímero líquido
(o una forma calentada en un plastisol) durante cierto tiempo (el proceso puede involucrar inmersiones repetidas) para formar el espesor deseado. Después se desmonta el recubrimiento de la
forma y se realiza el curado para que haya enlazamiento entrecruzado del hule.
9.1.5 Vulcanización
La vulcanización es el tratamiento que lleva a cabo el enlazamiento entrecruzado de las moléculas de elastómero, de modo que el hule se vuelve más rígido y resistente, pero mantiene su extensibilidad. La secuencia es de crucial importancia en el procesamiento del hule. El proceso a escala submicroscópica se ilustra en la figura 9.4, en el que las moléculas de cadena larga del hule se
unen en ciertos puntos de enlace, el efecto de lo cual es reducir la capacidad que tiene el elastómero para fluir. Un hule común suave tiene uno o dos enlazamientos entrecruzados por cada mil
unidades (meros). Conforme aumenta el número de enlazamientos entrecruzados, el polímero se
vuelve más rígido y se comporta más como plástico termofijo (hule duro).
La vulcanización, inventada por Goodyear, involucra el uso de azufre (alrededor de ocho
partes por peso de S (azufre) mezcladas con 100 partes de hule natural) a una temperatura de 140
°C (280 °F) durante unas cinco horas. En el proceso no entraba ningún otro producto químico.
Hoy día, la vulcanización con sólo azufre ya no se emplea más como tratamiento comercial, debido a los periodos largos de curado. Otros productos, inclusive óxido de zinc (ZnO) y ácido esteárico (C18H36O2), se combinan con dosis pequeñas de azufre a fin de acelerar y dar resistencia
al tratamiento. El tiempo de curado resultante es de 15 a 20 minutos por neumático de un automóvil normal de pasajeros. Además, se han creado varios tratamientos de vulcanización sin azufre.
En los procesos de moldeo con hule, la vulcanización se lleva a cabo en el molde mediante
la conservación de la temperatura en el nivel apropiado para el curado. En otros procesos de formado, la vulcanización se lleva a cabo después de que la pieza ha sido formada. Los tratamientos
por lo general se dividen en procesos por lote y procesos continuos. Los métodos por lote incluyen el uso de una autoclave, recipiente de presión calentado con vapor; y el curado con gas, en
el que un gas inerte como el nitrógeno cura al hule. Muchos de los procesos básicos hacen un
producto continuo, y si la salida no se corta en piezas separadas o discretas, es apropiado aplicar
vulcanización continua. Los métodos continuos incluyen vapor a alta presión, adecuado para el
curado del hule que recubre alambre y cable; el túnel de aire caliente, para extrusión celular y
a)
Molécula de hule
Enlaces entrecruzados
b)
1)
2)
FIGURA 9.4 Efecto de la vulcanización sobre las moléculas de hule: 1) hule crudo; 2) hule vulcanizado
(enlace entrecruzado). Las variantes de (2) incluyen: a) hule suave, bajo grado de enlazamiento entrecruzado, y b) hule duro, alto grado de enlazamiento entrecruzado. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)
9.2
Manufactura de neumáticos y otros productos de hule 191
aislantes de alfombras (bajoalfombras) [5], y el curado con tambor continuo, en el que hojas
continuas de hule (por ejemplo, bandas y materiales para pisos) pasan a través de uno o más rodillos calentados para efectuar la vulcanización.
9.2 Manufactura de neumáticos y otros productos de hule
Los neumáticos son el producto principal de la industria del hule, que contribuye con tres cuartas
partes del tonelaje total. Otros productos importantes incluyen suelas, mangueras, bandas transportadoras, sellos, componentes para absorber impactos, productos de hule espumado y equipo
deportivo.
9.2.1
Neumáticos
Los neumáticos son componentes esenciales de los vehículos en que se usan. Se utilizan en automóviles, camiones, autobuses, tractores agrícolas, equipo para movimiento de tierras, vehículos militares, bicicletas, motocicletas y aviones. Los neumáticos soportan el peso del carro y el de los pasajeros y carga a bordo; transmiten el par del motor para impulsar el vehículo (excepto en los
aviones), y absorben las vibraciones del camino y los impactos para brindar un viaje confortable.
Construcción de un neumático y secuencia de la producción Un neumático es el ensamble
de muchas piezas, cuya manufactura es inesperadamente compleja. Un neumático de automóvil de
pasajeros consiste en alrededor de 50 piezas individuales; la de un equipo grande para mover
tierra puede llegar a tener 175. Para comenzar, hay tres construcciones básicas de neumáticos: a)
de capas diagonales, b) de diagonal con cinturones (cinturada) y c) de capas radiales, que se
ilustran en la figura 9.5. En los tres casos, la estructura interna del neumático, conocida como
carcasa, consiste en capas múltiples de cuerdas cubiertas de hule, llamados capas. Las cuerdas
son tiras de varios materiales como nylon, poliéster, fibra de vidrio y acero, que suministran inextensibilidad para reforzar al hule en la carcasa. La llanta de capa diagonal tiene las cuerdas que
corren diagonalmente, pero en direcciones perpendiculares en capas adyacentes. Un neumático
común en diagonal tiene cuatro capas. El neumático de diagonal con cinturones está hecho de
capas diagonales con sesgos opuestos, pero agrega varias capas alrededor de la periferia exterior
de la carcasa. Estos cinturones incrementan la rigidez del neumático en el área de rodamiento y
limitan su expansión diametral durante el inflado. Las cuerdas en el cinturón también corren en
forma diagonal, como se indica en el esquema.
Un neumático radial tiene capas que corren en forma radial en vez de diagonal; también usa
cinturones alrededor de la periferia para proveer apoyo. Un neumático radial con cinturones de
acero es aquel en el que los cinturones de la circunferencia tienen cuerdas hechas de acero. La
construcción radial proporciona una pared lateral más flexible que tiende a reducir el esfuerzo
sobre los cinturones y banda o área de rodamiento cuando se deforman de modo continuo o en
contacto con la superficie plana del camino durante la rotación. Este efecto va acompañado de
una vida más larga de la banda de rodamiento, y mejoran la estabilidad al dar la vuelta y en el
manejo, y da un agarre mejor a velocidades altas.
En cada tipo de construcción, la carcasa está cubierta de hule sólido que alcanza un espesor
máximo en el área de rodamiento; también está forrada por dentro con un recubrimiento de hule.
Para neumáticos con cámaras interiores, el forro interior es un recubrimiento delgado que se
aplica a la capa más interna durante la fabricación. Para neumáticos sin cámaras, el forro interior
debe tener permeabilidad baja, porque mantiene la presión del aire; por lo general se trata de un
hule laminado.
La producción de neumáticos se resume en tres etapas: 1) el preformado de los componentes,
2) la construcción de la carcasa y agregar bandas de hule para formar las paredes y superficies de
rodamientos y 3) el moldeo y curado de los componentes en una pieza integral. Las descripciones
de estas etapas que siguen son comunes; hay variantes en el proceso según la construcción, tamaño de neumático y tipo de vehículo en que se usará.
192 CAPÍTULO 9 Procesos para dar forma al hule y a los materiales compósitos de matriz polimérica (PMC)
Banda de rodamiento
Cinturones
Banda de rodamiento
Capas diagonales (4)
Capas diagonales (2)
Forro interior
Forro interior
Relleno
Pared lateral
Alambres de acero
Envoltura
de talón
Relleno
Pared lateral
Alambres de acero
Envoltura
de talón
Cordones de talón
Cordones de talón
b)
a)
Banda de rodamiento
Cinturones
Capas radiales (2)
Pared lateral
Forro interior
Relleno
Alambres de acero
Envoltura
de talón
Cordones de talón
c)
FIGURA 9.5 Tres construcciones principales de neumáticos: a) de capas diagonales, b) de diagonal con cinturones y c) de capas radiales. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley &
Sons, Inc.)
Preformado de componentes Como se muestra en la figura 9.5, la carcasa consiste en cierto
número de componentes separados, la mayor parte de los cuales son hule o hule reforzado. Éstos,
así como el hule de la pared lateral y la banda de rodamiento, se producen en procesos continuos
y luego se cortan al tamaño y forma para el ensamble posterior. Los componentes, citados en la
figura 9.5 y los procesos de preformado para fabricarlos son:
• Cordón de talón (ceja). Alambre de acero continuo recubierto de hule, cortado, enrollado y
con los extremos unidos.
• Capas. Tela continua (textil, nylon, fibra de vidrio, acero) cubierta de hule en un proceso de
calandrado y precortada al tamaño y forma.
• Forro interior. Para neumáticos con cámaras, el forro interior es con calandrado sobre la
capa más interna. Para neumáticos sin cámara, el forro es calandrado como laminado de dos
capas.
• Cinturones. Tela continua recubierta de hule (como los pliegues), pero cortada en ángulos
diferentes para tener mejor refuerzo; después se fabrica en cinturones multicapa.
• Banda de rodamiento. Extruida como banda continua; después se corta y preensambla a los
cinturones.
• Pared lateral. Se extruye como banda continua; luego se corta al tamaño y forma.
La carcasa se ensambla por tradición con el uso de una máquina
conocida como tambor de construcción, cuyo elemento principal es un árbol giratorio cilíndrico.
Alrededor de éste se construyen bandas o tiras precortadas que forman la carcasa en un procedimiento paso a paso. Las capas sucesivas que forman la sección transversal del neumático están
ancladas en los lados opuestos de éste por dos cordones (bobinas) de talón. Los cordones de talón consisten en filamentos múltiples de alambre de acero de alta resistencia. Su función es
brindar un soporte rígido cuando la llanta se monta en el rin. Con las capas y cordones de talón
Construcción de la carcasa
9.2
Manufactura de neumáticos y otros productos de hule 193
Tira de superficie de rodamiento
FIGURA 9.6 Llanta justo
antes de retirarse del tambor
de construcción, antes del
moldeo y el curado. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a.
ed., de Mikell P. Groover,
2010. Reimpreso con autorización de John Wiley &
Sons, Inc.)
Tambor de construcción
(lo gira el trabajador
para facilitar el ensamble)
Neumático
Cordón de talón
Tambor plegable
(para retirar
el neumático)
Pared lateral
Apoyo para el tambor
Pared lateral
se combinan otros componentes. Éstos incluyen varias envolturas y piezas de relleno para dar al
neumático la resistencia apropiada, resistencia al calor, retención de aire y ajuste al rin de la rueda.
Después de que estas piezas han sido colocadas alrededor del árbol y se ha agregado el número
apropiado de capas, se aplican los cinturones. A esto le sigue el hule exterior, que se convertirá en
la pared lateral y la banda de rodamiento.1 En este punto del proceso, las bandas de rodamiento
son tiras de hule de sección transversal uniforme, el diseño del dibujo en la banda de rodamiento se
agrega después, en el moldeo. El tambor de construcción es plegadizo, de modo que el neumático
sin acabado puede retirarse una vez terminado. En esta etapa, la forma del neumático es aproximadamente tubular, como se ilustra en la figura 9.6.
Moldeo y curado Los moldes de los neumáticos por lo general son elementos de dos piezas
(moldes deslizantes) y contienen el patrón o dibujo de la banda de rodamiento que ha de imprimirse en el neumático. El molde está sujeto a una prensa, una mitad a la placa superior (la tapa) y la
mitad inferior a la placa de abajo (la base). La llanta sin curar se coloca sobre el diafragma expansible (también llamado bladder) y se inserta entre las mitades del molde, como se observa en la
figura 9.7. Después, se cierra la prensa y el diaframa se expande, de modo que el hule suave se
comprime contra la cavidad del molde. Esto hace que se imprima el patrón de la banda al hule. Al
mismo tiempo, éste se calienta, tanto desde el exterior del molde y desde el interior del diafragma.
Para calentar este último se emplea agua caliente o vapor en circulación. La duración de este paso
del curado depende del espesor de la pared del neumático. Un neumático de automóvil común de
Molde deslizante
de llanta
Patrón de la banda de
rodamiento (del molde
del neumático)
Porción de
la banda
de rodamiento
Llanta sin acabado, desde
el tambor de construcción
Porción de
pared lateral
Cordón de talón
Diafragma
expansible
1)
Diafragma inflado
2)
FIGURA 9.7 Moldeo de neumáticos (se muestra la sección transversal de un neumático): 1) se coloca el neumático sin ser curado
sobre un diafragma expansible; 2) el molde se cierra y el diafragma se expande para forzar el hule sin curar contra la cavidad del molde,
lo que imprime el patrón de la banda de rodamiento al hule; se calientan el molde y el diafragma para el curado del hule. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)
1
Técnicamente, el dibujo de la banda de rodamiento y la pared lateral no suelen considerarse componentes de la carcasa.
194 CAPÍTULO 9 Procesos para dar forma al hule y a los materiales compósitos de matriz polimérica (PMC)
pasajeros se cura aproximadamente en 15 minutos. Los neumáticos de bicicleta son curados en 4
minutos, mientras que los neumáticos para equipos grandes para mover tierra requieren varias
horas de curado. Una vez terminada ésta, el neumático se enfría y se quita de la prensa.
9.2.2
Otros productos de hule
La mayoría de productos de hule están hechos con procesos menos complejos. Las bandas de
hule se emplean mucho en transportadores y sistemas mecánicos de transmisión de potencia.
Igual que con los neumáticos, el hule es un material ideal para estos productos, pero la banda
debe tener flexibilidad y poca o ninguna elasticidad a fin de que funcione. En concordancia, se refuerza con fibras, por lo común poliéster o nylon. Las telas de estos polímeros por lo general se
recubren en operaciones de calandrado, se ensamblan juntas para obtener el número de capas y
espesor requeridos, y después se vulcanizan por medio de procesos continuos o de calentamiento
por lotes.
Una manguera de hule puede ser sencilla o reforzada. La manguera sencilla es un tubo extruido. El tubo de refuerzo consiste en un tubo interior, una capa de refuerzo (a veces denominada carcasa) y una cubierta. El tubo interno se extruye de un hule compuesto para la sustancia
particular que fluirá por él. La capa de refuerzo se aplica al tubo en forma de tela, espiral, tejida,
trenzada, u otro método de aplicación. La capa exterior está compuesta para resistir las condiciones ambientales. Se aplica por extrusión, con el uso de rodillos o de otras técnicas.
Los componentes de calzado incluyen suelas, tacones, botas de hule y ciertas partes superiores. Para fabricar componentes de calzado se usan varios hules. Las piezas moldeadas se producen por inyección, compresión y ciertas técnicas especiales de moldeo creadas por la industria
del calzado. Los hules incluyen variedades tanto sólida como espumada. En ciertos casos, para
un volumen bajo de producción, se utilizan métodos manuales para cortar el hule de un suministro sencillo.
El hule se usa mucho en equipo y artículos deportivos, que incluyen superficies de paletas para
ping pong, mangos de palos de golf, sacos de golpeo para fútbol americano, y pelotas deportivas de
varias clases. Por ejemplo, las pelotas de tenis se fabrican en número significativo. La producción
de estos artículos deportivos se hace con los diversos procesos para dar forma que se estudiaron en
la sección 9.1.4, así como con técnicas especiales implantadas para objetos particulares.
9.2.3
Procesamiento de elastómeros termoplásticos
Un elastómero termoplástico (TPE, por sus siglas en inglés) es un polímero termoplástico que
tiene las propiedades de un hule (sección 2.3); también se emplea el término hule termoplástico.
El TPE se procesa como los termoplásticos, pero sus aplicaciones son las de los elastómeros. Los
procesos para dar forma más comunes son el moldeo por inyección y la extrusión que, por lo
general, son más económicos y rápidos que los procesos tradicionales que se emplean para los
hules, que deben vulcanizarse. Los productos moldeados incluyen suelas, calzado deportivo y
componentes automotrices, como extensiones de salpicaderas y paneles para las esquinas (pero
no neumáticos; se ha descubierto que los TPE no son satisfactorios para esa aplicación). Los artículos extruidos incluyen recubrimiento para aislar alambres eléctricos, tubería para aplicaciones médicas, bandas transportadoras, y láminas y películas. Otras técnicas de formado de TPE
incluyen el moldeo por soplado y termoformado (secciones 8.8 y 8.9); estos procesos no pueden
utilizarse para hules vulcanizados.
9.3
Materiales y procesos para dar forma a los PMC
Algunos de los procesos para dar forma a los PMC que se describen en las siguientes secciones
son lentos y requieren una mano de obra muy intensa. En general, las técnicas para dar forma a
compósitos son menos eficientes que los procesos de manufactura para otros materiales. Hay dos
9.3
Materiales y procesos para dar forma a los PMC 195
razones para esto: 1) los materiales compósitos son más complejos que otros materiales porque
constan de dos o más fases, y en el caso de los plásticos reforzados con fibra, hay necesidad de
orientar la fase de refuerzo y 2) las tecnologías de procesamiento para los compósitos no han sido
mejoradas y refinadas desde hace algunos años como los procesamientos para otros materiales.
La variedad de métodos para dar forma para polímeros reforzados con fibra es muchas veces
abrumadora para estudiantes en su primera lectura. Los procesos para dar forma a compósitos
de FRP pueden dividirse en cinco categorías: 1) procesos en molde abierto, 2) procesos en molde
cerrado, 3) bobinado de filamentos, 4) procesos de pultrusión y 5) otros. Los procesos en molde abierto incluyen algunos de los procedimientos originales en los que se depositan manualmente resinas y fibras sobre una forma. Los procesos en molde cerrado son los mismos del moldeo de
plásticos, el lector puede reconocer los nombres: moldeo por compresión, moldeo por transferencia, moldeo por inyección, aunque los nombres pueden cambiar algunas veces y se pueden hacer
modificaciones para los PMC. En el bobinado de filamentos se enrollan filamentos continuos que
han sido sumergidos en resina líquida alrededor de un mandril giratorio; cuando la resina es el
agente de curado, se genera una forma cilíndrica rígida y hueca. La pultrusión es un proceso
para dar forma y permite producir secciones largas, rectas y de sección transversal constante; es
similar a la extrusión, solamente que adaptada para incluir refuerzos de fibra continua. La categoría de “otros” incluye varias operaciones que no encajan en las categorías previas.
Algunos de estos procesos se usan para dar forma a compósitos de fibras continuas, mientras
que otros se usan para PMC de fibras cortas. El estudio inicia por explorar cómo se producen las
fases individuales en un PMC y cómo se combinan estas fases con las materias primas para formado.
9.3.1
Materias primas para PMC
En un PMC, las materias primas son un polímero y una fase de refuerzo. Se procesan separadamente antes de convertirse en fases del compósito. Esta sección considera cómo se producen estos materiales, antes de combinarse.
Matriz polimérica En los PMC se usan como matrices los tres tipos de polímeros básicos, termoplásticos, termofijos (o termoestables) y elastómeros. Los polímeros termofijos (TS, ThermoSets) son los materiales de las matrices más comunes. Los principales polímeros TS son los fenólicos, los poliésteres insaturados y los epóxicos. Los fenólicos se asocian con el uso de las fases
de refuerzo particulado, en tanto que los poliésteres y los epóxicos se asocian más estrechamente
con los FRP. Los polímeros termoplásticos (TP) se usan también en los PMC, y de hecho los
compuestos de moldeo son materiales compósitos que incluyen rellenos o agentes de refuerzo.
Como se mencionó antes, la mayoría de los elastómeros son materiales compósitos debido a que
casi todos los hules se refuerzan con negro de humo. En esta sección y en las siguientes, la cobertura se limita al procesamiento de PMC cuya matriz es un polímero termofijo o termoplástico.
Aunque muchos de los procesos de formado de polímeros analizados en el capítulo 8 se aplican
a los compósitos de matriz polimérica, la combinación del polímero con los agentes de refuerzo
complica algunas veces las operaciones.
El agente reforzador La fase de refuerzo puede tener varias geometrías y ser de distintos materiales. Las geometrías incluyen fibras, partículas y hojuelas, y los materiales son cerámicos,
metales, otros polímeros, o elementos como carbono o boro.
Los materiales más comunes de fibra utilizados en los FRP son el vidrio, el carbono y el
polímero Kevlar. Las fibras de estos materiales se fabrican mediante varias técnicas, algunas de
las cuales se estudian en otros capítulos. Las fibras de vidrio se fabrican por el estiramiento a través
de pequeños orificios (sección 7.2.3). En el caso del carbono, se lleva a cabo una serie de tratamientos térmicos para transformar el filamento precursor, que contiene un compuesto de carbono,
en una forma más pura de carbono. El precursor puede estar fabricado de diversas sustancias
dentro de las que se incluyen el poliacrilonitrilo (PAN), pitch (una resina negra de carbón formada en la destilación del alquitrán de carbón, alquitrán de madera, petróleo crudo, etc.) o rayón
196 CAPÍTULO 9 Procesos para dar forma al hule y a los materiales compósitos de matriz polimérica (PMC)
(celulosa). Las fibras de Kevlar se fabrican por medio de extrusión combinada con estirado a
través de pequeños orificios en una hilera (sección 8.4).
En los filamentos continuos, las fibras se combinan con la matriz polimérica en varias formas, dependiendo de las propiedades que se desean en el material y de los métodos de procesamiento utilizados para formar el compósito. En algunos procesos los filamentos son continuos,
mientras que en otros se trozan en fibras cortas. En la forma continua, se dispone de filamentos
individuales en forma de mechas. Una mecha es un conjunto no torcido de fibras continuas (paralelas); es una forma conveniente para manejar y procesar. Las mechas típicas contienen de 12
a 120 fibras individuales. Por el contrario, un hilo es un conjunto torcido de filamentos. Las mechas continuas se usan en varios procesos de PMC, incluyendo el bobinado de filamentos y la
pultrusión.
La forma más familiar de fibra continua es una tela o trama tejida de hilos. El tejido de mechas, muy similar a una tela, pero distinguido en este contexto, consiste en filamentos no torcidos
en lugar de hilos. Los tejidos de mechas se pueden producir con números desiguales de fibras en
dos direcciones, de manera que su resistencia sea más grande en una dirección que en la otra.
Dicho tejido unidireccional de mechas se prefiere muchas veces para los compósitos laminados
de FRP.
Las fibras pueden prepararse también en forma de esteras, un fieltro que consiste en fibras
cortas orientadas aleatoriamente y aglomeradas holgadamente con un aglutinante, algunas veces
en una tela portadora. Las esteras se venden como mantas de varios pesos, espesores y anchos.
Las esteras se pueden cortar y conformar para usarse como preformas en algunos procesos en
molde cerrado. Durante el moldeado, las resinas impregnan la preforma y luego son curadas,
produciendo así una parte moldeada con refuerzo de fibra.
Partículas y hojuelas Las partículas y las hojuelas caen realmente en una sola clase. Las hojuelas son partículas cuyo ancho y largo son mayores en relación a su espesor. La caracterización
de los polvos de ingeniería se estudia en el apéndice del capítulo 10. Los métodos de producción de
polvos metálicos se estudiarán en la sección 10.1 y las técnicas para producir polvos cerámicos,
en la sección 11.1.
9.3.2 Combinación de la matriz y el refuerzo
La incorporación del agente de refuerzo a la matriz polimérica ocurre durante el proceso para dar
forma o antes. En el primer caso, los materiales iniciales (materia prima) llegan a la operación de
fabricación en entidades separadas y se combinan dentro del compósito durante el proceso para
dar forma. Ejemplos de este caso son el bobinado de filamentos y la pultrusión. El refuerzo inicial
en este proceso consiste en fibras continuas. En el segundo caso, los dos materiales componentes
se combinan en una forma preliminar que se usa convenientemente en el proceso de formado.
Casi todos los termoplásticos y termofijos (termoestables) que se usan en los procesos para dar
forma al plástico son, de hecho, polímeros combinados con rellenos. Los rellenos son fibras cortas o particulados (incluyendo hojuelas).
Las formas iniciales que se usan en los procesos de formado, diseñados para compósitos de
FRP, son los de mayor interés en este capítulo. Estas formas iniciales son compósitos prefabricados que llegan listos para usarse en los procesos para dar forma, son compuestos de moldeo y
productos preimpregnados (prepegs, en inglés).
Compuestos de moldeo Los compuestos para moldeo son similares a los que se usan en el
moldeo de plásticos. Se diseñan para usarse en operaciones de moldeo, de tal manera que puedan
fluir, al menos hasta cierto grado. La mayoría de los compuestos de moldeo para el procesado de
los compósitos son polímeros termofijos. Por consiguiente, no han sido curados, el curado se
hace durante o después de dar la forma final. Los compuestos de moldeo para compósitos de FRP
consisten en matrices de resina con fibras cortas dispersadas al azar, y vienen en varias formas.
Los compuestos para el moldeo de láminas (SMC, Sheet Molding Compound) son una
combinación de resina de polímero termofijo, rellenos, y otros aditivos, y fibras de vidrio trituradas o cortadas (orientados al azar), que se laminan a un espesor típico de 6.5 mm (0.250 pulg).
9.4
Procesos con molde abierto 197
Mecha continua
Rodillo
triturador
FIGURA 9.8 Proceso para
producir el compuesto
para el moldeo de lámina
(SMC). (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell
P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John
Wiley & Sons, Inc.)
Bisturí
Pasta de resina
Película portadora
Mechas en trozos
Bisturí
Rodillos compactadores
Pasta de resina
Carrete
de enrollado
Película portadora
SMC
La resina más común es el poliéster insaturado. Los rellenos son generalmente polvos minerales
como talco, sílice y piedra caliza; y las fibras de vidrio tienen una longitud típica de 12 a 75 mm
(0.5 a 3 pulg), esto representa cerca de 30% del SMC en volumen. Es muy conveniente manejar
y cortar al tamaño adecuado los SMC como cargas de moldeo. Los compuestos de moldeo para
láminas se producen generalmente entre cargas delgadas de polietileno para limitar la evaporación de los ingredientes volátiles de la resina termofija. El recubrimiento protector mejora también el acabado superficial de las piezas moldeadas subsecuentes. En la figura 9.8 se describe el
proceso para la fabricación de los SMC continuos.
Los compuestos para moldeo volumétrico (BMC, Bulk Molding Compound) consisten en
ingredientes similares a los de los SMC, pero el polímero compuesto se hace en forma de barra
en lugar de lámina. Las fibras en los BMC son más cortas, típicamente de 2 a 12 mm (0.1 a 0.15
pulg), debido a la mayor fluidez requerida en las operaciones de moldeo para las cuales se diseñan estos materiales. El diámetro de las barras es generalmente de 25 a 50 mm (1 a 2 pulg). Los
procesos para producir BMC son similares a los de SMC, excepto que se usa la extrusión para
obtener la forma final de la barra. Los BMC se conocen también como compuestos para moldeo
en pasta (DMC, Dough Molding Compound) porque tiene una consistencia pastosa. Otros compuestos para moldeo de FRP son el compuesto para moldeo grueso (TMC, Thick Molding Compound) que es similar al SMC pero más grueso, alcanza hasta 50 mm (2 pulg); y los compuestos
moldeados paletizados, que son básicamente compuestos para el moldeo convencional de plásticos que contienen fibras cortas.
Productos preimpregnados Otra forma prefabricada para operaciones de formado de FRP son
los productos preimpregnados (Prepegs, en inglés), que consisten en fibras impregnadas con
resinas termofijas parcialmente curadas para facilitar el proceso para dar forma. El curado completo debe realizarse durante o después del formado (o en ambos). Los productos preimpregnados se disponen en forma de cintas, láminas o telas aplicadas transversalmente. La ventaja de los
productos preimpregnados es que se fabrican con filamentos continuos más que con fibras recortadas (en trozos) aleatoriamente, incrementando así la resistencia y el módulo del producto final.
Las cintas y láminas con productos preimpregnados se asocian con compósitos que están reforzados con boro, carbono-grafito, Kevlar o fibras de vidrio.
9.4 Procesos con molde abierto
La característica distintiva de esta familia de procesos para dar forma de FRP, es el uso de una
sola superficie de molde positivo o negativo (véase la figura 9.9) para producir estructuras laminadas de FRP. El proceso en molde abierto también se conoce con otros nombres, como laminación por contacto y moldeo por contacto. Los materiales iniciales (resinas, fibras, esteras y mechas tejidas) se aplican al molde en capas para constituir el espesor deseado. Después continúa el
198 CAPÍTULO 9 Procesos para dar forma al hule y a los materiales compósitos de matriz polimérica (PMC)
a)
b)
FIGURA 9.9 Tipos de molde abierto: a) positivo y b) negativo. (Crédito: Fundamentals of Modern
Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons,
Inc.)
curado y el retiro de la pieza. Las resinas comunes para estos procesos son poliésteres insaturados
y epóxicos, usando fibra de vidrio como refuerzo. Las piezas moldeadas generalmente son grandes (por ejemplo, cascos para lanchas). La ventaja de usar moldes abiertos es que el costo del
molde es mucho menor que si se usaran moldes que se acoplan. La desventaja es que solamente
la superficie de la pieza en contacto con el molde es una superficie acabada; el otro lado queda
áspero. El molde en sí, debe ser muy liso para un mejor acabado de la superficie de la pieza.
Hay varios procesos importantes de molde abierto para FRP. Las diferencias están en los
métodos para aplicar las capas al molde, las técnicas de curado alternativo y otras variaciones. En
esta sección describimos la familia de procesos de molde abierto para dar forma a los plásticos
reforzados con fibra: 1) aplicado manual, 2) aspersión y 3) máquinas de aplicación automatizada
con cinta. El aplicado manual es el proceso básico y los otros son modificaciones y refinamientos.
9.4.1 Aplicado manual
El aplicado manual es el método en molde abierto más antiguo para laminados de FRP, se remonta a la década de 1940, cuando se usó por primera vez para fabricar cascos de lanchas o botes. Es
también el método que tiene mayor intensidad de mano de obra. Como su nombre indica, el
aplicado manual es un método en el cual se aplican manualmente capas sucesivas de resina y
refuerzo en un molde abierto para construir la estructura compósita del FRP laminado. El procedimiento básico consiste en cinco pasos, como se ilustra en la figura 9.10. La pieza terminada se
debe recortar generalmente con una sierra mecánica para dimensionar los bordes exteriores. En
general se requieren estos mismos cinco pasos en todos los procesos de molde abierto; las diferencias entre los diversos métodos ocurren en los pasos 3 y 4.
Cada capa de refuerzo de fibra está seca en el paso 3, cuando se coloca sobre el molde. Se
vacía entonces la resina líquida (no curada), o se aplica por vaciado, con brocha o por aspersión.
El impregnado de la estera o tela de fibra se hace con rodillos de mano. A esta operación se le
conoce como aplicación húmeda. Un procedimiento alternativo se realiza mediante el uso de
productos preimpregnados (prepregs, en inglés) donde primero se preparan las capas impregnadas de refuerzo de fibra y luego se colocan en la superficie del molde. Las ventajas que se atribuyen a los productos preimpregnados son un control más estrecho sobre la mezcla de fibra y resina, y métodos más eficientes para agregar las capas [17].
Los moldes para laminar por contacto en molde abierto se pueden hacer de yeso, metal,
plásticos reforzados con fibra de vidrio u otros materiales. La selección del material depende de
la economía, la calidad de la superficie y otros factores técnicos. Para la fabricación de prototipos
donde se produce solamente una pieza se usa moldes de yeso. Para cantidades medias, los moldes
se pueden hacer de plástico reforzado con fibra de vidrio. La alta producción requiere generalmente moldes metálicos (o coquillas metálicas). Se usan algunas veces el aluminio, el acero y el
níquel con las superficies de la cara del molde endurecidas, para resistir el desgaste. Una ventaja
del metal, además de su durabilidad, es su alta conductividad térmica que permite instrumentar
sistemas de curado por calor, o simplemente disipar el calor del laminado mientras éste es curado
a temperatura ambiente.
La aplicación manual se presta generalmente para productos de gran tamaño fabricados en
baja cantidad. Aparte de los cascos de lanchas o botes, este procedimiento se usa para producir
9.4
Recubrimiento de gel
Procesos con molde abierto 199
v
Rodillo
F
1)
Capas
de fibra
y resina
3)
2)
Parte terminada y lista
para recortarse
4)
5)
FIGURA 9.10 Procedimiento de aplicación manual: 1) se limpia el molde y se trata con un agente antiadherente; 2) se aplica un recubrimiento delgado de gel (resina, posiblemente pigmentada con color) que
se convertirá en la superficie externa de la pieza; 3) después que el recubrimiento de gel ha fraguado parcialmente, se aplican capas sucesivas de fibra y resina en la fibra en forma de estera o tela; a cada capa se
le pasa un rodillo para impregnar completamente la fibra con la resina y remover las burbujas de aire; 4) se
realiza el curado de la parte, y 5) se retira del molde la parte completamente endurecida. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de
John Wiley & Sons, Inc.)
albercas, grandes contenedores de almacenamiento, escenarios de utilería, cúpulas o domos y
otras formas laminadas. También se hacen piezas automotrices, pero el método no es económico
para la alta producción. Las piezas moldeadas más grandes que se han hecho con este proceso
fueron unos cascos de 85 m (280 pies) de largo para la British Royal Navy [3].
9.4.2 Aplicado por aspersión
La aspersión es un intento de mecanizar la aplicación de capas de resina y fibra, así como para
reducir el tiempo de la operación. Es una alternativa para el paso 3 en el procedimiento manual.
En el método por aspersión la resina líquida y las fibras cortadas se rocían sobre un molde abierto para construir capas sucesivas de FRP, como se muestra en la figura 9.11. La pistola aspersora
está equipada con un mecanismo de corte alimentado con una mecha de filamentos que corta en
fibras cuyas longitudes van de 25 a 75 mm (1 a 3 pulg), los cuales se incorporan a la corriente de
resina a la salida de la boquilla. La acción mezcladora genera una orientación aleatoria de las fibras en la capa, a diferencia de la aplicación manual en la cual los filamentos pueden orientarse
como se quiera. Otra diferencia es que el contenido de fibra en la aspersión se limita a cerca de
35% (comparado con un máximo de cerca de 65% en el aplicado manual). Ésta es una deficiencia
de los procesos de aspersión y mezclado.
La aspersión se puede realizar manualmente usando una pistola portátil o mediante una máquina automatizada, en la cual se programa y controla la ruta de la pistola aspersora por una
computadora. El procedimiento automatizado es ventajoso para la eficiencia del trabajo y la
protección ambiental. Las máquinas de trayectoria controlada pueden operar en áreas selladas sin
la presencia de seres humanos, ya que algunas de las emisiones volátiles de las resinas líquidas
son peligrosas. Sin embargo, generalmente se requiere el impregnado con rodillos para cada capa, como en el procedimiento manual.
200 CAPÍTULO 9 Procesos para dar forma al hule y a los materiales compósitos de matriz polimérica (PMC)
Mecha continua
Mecanismo de corte
Rociado de resina
y fibras cortadas
FIGURA 9.11 Método de
aplicación por aspersión.
(Crédito: Fundamentals of
Modern Manufacturing, 4a.
ed., de Mikell P. Groover,
2010. Reimpreso con autorización de John Wiley &
Sons, Inc.)
Resina líquida
Boquilla
Capa de
resina rociada
Los productos hechos con el método de aspersión incluyen cascos para lanchas o botes, tinas
de baño, casetas para ducha, piezas para carrocerías de automóviles y camiones, componentes de
vehículos recreativos, muebles, paneles estructurales grandes y contenedores. Las pantallas para
cine y escenarios de utilería se hacen algunas veces por este método. Debido a que tienen fibras
cortas orientadas aleatoriamente, los productos hechos por aspersión no son tan fuertes como los
hechos por aplicación manual de capas cuyas fibras son continuas y dirigidas.
9.4.3
Máquinas de aplicación automatizada con cinta
Éste es otro intento de automatizar y acelerar el paso 3 en el procedimiento manual. Las máquinas de aplicación automatizada con cinta operan con un aplicador de cinta de productos preimpregnados (prepregs, en inglés) sobre un molde abierto siguiendo una trayectoria programada. La
máquina típica consiste en una grúa transversal móvil a la cual se le ha acoplado una cabeza
surtidora. La grúa permite que la cabeza recorra la superficie del molde en las direcciones x-y-z
para tomar posiciones y seguir una trayectoria continua definida. La cabeza tiene varios ejes de
rotación, más un dispositivo de corte para cortar la cinta al final de cada ruta. El ancho de la cinta de productos preimpregnados es comúnmente de 75 mm (3 pulg), aunque se han reportado
anchos de 300 mm (12 pulg) [16]; el espesor es cercano a 0.13 mm (0.005 pulg). Los rollos colocados en la cabeza surten la cinta que se va adhiriendo a la superficie a lo largo de la ruta definida. Cada capa se forma por una serie de recorridos hacia adelante y hacia atrás, a través de la
superficie del molde hasta completar la capa de filas paralelas.
Gran parte del trabajo para perfeccionar las máquinas de aplicación automatizada de cinta la
ha realizado la industria de la aviación, en su afán de ahorrar costos de mano de obra y lograr al
mismo tiempo la más alta uniformidad y calidad posibles en la manufactura de sus componentes.
La desventaja de ésta y de otras máquinas operadas por control numérico computarizado es que
necesitan ser programadas, y la programación toma tiempo.
9.4.4
Curado
Se requiere el curado (paso 4) para todas las resinas termofijas que se usan en los compósitos
laminados de FRP. En el curado tiene lugar el encadenamiento transversal del polímero, que pasa
de una condición líquida o altamente plástica a un producto endurecido. Hay tres parámetros
principales en el proceso de curado: tiempo, temperatura y presión.
En los procedimientos de aplicación manual y aspersión donde se usan resinas TS, el curado
ocurre normalmente a temperatura ambiente. Las piezas moldeadas hechas por estos procesos
generalmente son grandes y el calentamiento podría dificultarse. En algunos casos se requieren
días antes de que se complete el curado a temperatura ambiente para retirar la pieza. Cuando es
posible, se puede suministrar calor para acelerar la reacción de curado.
9.5
Procesos con molde cerrado 201
El calentamiento se realiza de varias maneras. El curado por horno suministra calor a temperaturas muy controladas; algunos hornos cuentan con equipos para aplicar un vacío parcial. El
calentamiento con rayos infrarrojos se puede aplicar donde es impráctico o inconveniente poner
la pieza moldeada en un horno.
El curado en un autoclave provee control sobre la temperatura y la presión. Un autoclave es
una cámara cerrada que está diseñada para aplicar calor y presión a niveles controlados. En el
procesamiento de compósitos de FRP, usualmente es un cilindro grande horizontal con puertas en
ambos extremos. Algunas veces se usa el término moldeo en autoclave para referirse al curado
de un laminado con productos preimpregnados en autoclave. Este procedimiento se usa extensamente en la industria aeroespacial para producir componentes de compósitos avanzados de muy
alta calidad.
9.5 Procesos con molde cerrado
Estas operaciones de moldeo se realizan en moldes que consisten en dos secciones que se abren y
cierran durante cada ciclo de moldeo. Se podría pensar que el costo de un molde cerrado es el
doble de un molde abierto; sin embargo, el costo de las herramientas es aún más grande debido a
que el equipo es más complejo en estos procesos. A pesar de su alto costo, las ventajas del molde
cerrado son 1) buen acabado en todas las superficies de la pieza, 2) tasas más altas de producción,
3) mayor control sobre las tolerancias y 4) son posibles formas tridimensionales más complejas.
Los procesos de molde cerrado se dividen en tres clases con base en sus equivalentes en el
moldeo de plásticos convencional, a pesar de que la terminología puede diferir cuando se moldean compósitos en matriz polimérica: 1) moldeo por compresión, 2) moldeo por transferencia y
3) moldeo por inyección.
9.5.1
Procesos de moldeo por compresión para PMC
En el moldeo por compresión de los compuestos de moldeo convencionales (sección 8.7.1) se
coloca una carga en la sección inferior del molde y las dos secciones se cierran bajo presión,
para que la carga tome la forma de la cavidad. Las dos mitades del molde se calientan para curar
el polímero termofijo. Cuando la pieza moldeada se ha curado lo suficiente, se abre el molde y se
retira la pieza. Hay varios procesos de formado para PMC basados en el moldeo por compresión;
la forma de los materiales de partida es la diferencia principal. Los factores críticos durante el
moldeo por compresión para compósitos de FRP son el flujo de la resina, las fibras y los otros
ingredientes.
Moldeo de SMC, TMC y BMC Varios de los compuestos para moldeo de FRP, como son los
compuestos para moldeo de láminas (SMC), los compuestos para moldeo volumétrico (BMC) y
los compuestos para moldeo grueso (TMC) pueden cortarse al tamaño apropiado y usarse como
carga de inicio en moldeo por compresión. Frecuentemente se requiere refrigeración para almacenar estos materiales antes de su procesamiento. Los nombres de los procesos de moldeo se
basan en el compuesto de moldeo inicial (es decir, el moldeo de SMC se da cuando la carga inicial es un compuesto de moldeo en lámina precortada; el moldeo BMC usa como carga un compuesto para moldeo volumétrico cortado al tamaño, y así sucesivamente).
Otra forma de moldeo por compresión, llamada moldeo preformado [17],
implica la colocación de una estera precortada en la parte inferior de la sección del molde junto
con una carga de resina de polímero [por ejemplo partículas (pellets) o lámina]. Los materiales
se presionan entre las mitades calientes del molde, ocasionando que la resina fluya e impregne la
fibra de la estera para producir un moldeado reforzado con fibras. Las variantes del proceso pueden usar polímeros termoplásticos o termofijos.
Moldeo preformado
Moldeo con depósito elástico La carga inicial en el moldeo con depósito (o reserva) elástico
(ERM) es un emparedado que consiste en un centro de espuma de polímero entre dos capas de
202 CAPÍTULO 9
Procesos para dar forma al hule y a los materiales compósitos de matriz polimérica (PMC)
fibra seca. El núcleo de espuma es comúnmente un poliuretano de celda abierta impregnada con
resina líquida como un epóxico o poliéster, y las capas de fibra seca pueden ser tela, mecha tejida
u otra forma de material fibroso. El emparedado se coloca en la sección inferior del molde y se
prensa a presión moderada, alrededor de 0.7 MPa (100 lb/pulg2). Al comprimirse el núcleo, éste
libera la resina para mojar la superficie seca de las capas. El curado produce una parte de peso
ligero que consiste en un núcleo de baja densidad y revestimientos delgados de FRP.
9.5.2
Procesos de moldeo por transferencia para PMC
En el moldeo convencional por transferencia (sección 8.7.2) se coloca una carga de resina termofija en un depósito o cámara, se calienta y se presiona por medio de un pistón o ariete dentro de
una o más cavidades del molde. El molde se calienta para generar el curado de la resina. El proceso deriva su nombre de la transferencia del polímero fluido desde el depósito al molde. Se
puede usar para moldear resinas TS cuyos rellenos incluyen fibras cortas para producir una parte
de compósito con FRP. Otra forma de moldeo por transferencia para PMC se llama moldeo por
transferencia de resina (RTM, Resin Transfer Molding) [7], [18]; se refiere a un proceso en
molde cerrado en el cual se coloca una estera preformada en la parte inferior del molde, el molde
se cierra, y la resina termofija (por ejemplo, una resina de poliéster) se transfiere dentro de la
cavidad a presión moderada para impregnar el preformado. Como causa de confusiones, algunas
veces al RTM se le conoce como moldeo por inyección de resina [7], [18] (no obstante, la distinción entre moldeo por transferencia y moldeo por inyección de cualquier manera es confusa,
como ya el lector puede haberlo notado en el capítulo 8). El RTM ha sido utilizado para producir
piezas como tinas de baño, carcazas de albercas, bancos, sillas y cascos para pequeños botes.
9.5.3
Procesos de moldeo por inyección para PMC
El moldeo por inyección es notable por el bajo costo de producción de las piezas de plástico en
grandes cantidades. Aunque se asocia más cercanamente con los termoplásticos, el proceso puede también adaptarse a los termofijos (sección 8.6.4).
Moldeo por inyección convencional En el proceso de formado de PMC se usa el moldeo por
inyección para ambos tipos de FRP, los TP (termoplásticos) y los TS (termofijos). Prácticamente
todos los polímeros termoplásticos pueden reforzarse con fibras. Se deben usar fibras cortadas; si
se usaran fibras continuas, éstas podrían de cualquier manera reducir su longitud por la acción del
tornillo en el cilindro. Durante la inyección de la cámara a la cavidad del molde, las fibras tienden
a quedar alineadas al pasar a través de la boquilla. Los diseñadores pueden algunas veces explotar
esta característica optimizando las propiedades direccionales a través del diseño de las piezas, la
localización de las compuertas y la orientación de la cavidad respecto a la puerta [14].
Si bien los compuestos de moldeo TP se calientan y luego se inyectan en un molde frío, los
polímeros TS se inyectan en un molde caliente para curarse. El control del proceso con los termofijos es complicado debido al riesgo del enlazamiento cruzado prematuro en la cámara de inyección. Sujeto al mismo riesgo, el moldeo por inyección puede aplicarse a plásticos TS reforzados con fibra en forma de compuestos para moldeo peletizado y en pasta.
Moldeo por inyección con reacción reforzada Algunos termofijos son curados por reacción
química en lugar de calor; estas resinas se pueden moldear por inyección con reacción (RIM,
Reaction Injection Molding). En el RIM se mezclan los dos ingredientes reactivos y se inyectan
inmediatamente dentro de la cavidad de un molde donde son curados y ocurre rápidamente la
solidificación de los componentes. Un proceso estrechamente relacionado incluye en la mezcla
fibras de refuerzo, típicamente el vidrio. El proceso se llama, en este caso, moldeo por inyección
con reacción reforzada (RRIM, Reinforced Reaction Molding). Sus ventajas son similares a las
del RIM, con el beneficio adicional del refuerzo con fibra. El RRIM se usa extensamente en aplicaciones de carrocerías de autos y cabinas de camiones, como son parachoques, defensas y otras
partes de la carrocería.
9.6
Bobinado de filamentos 203
Poleas
Carro
Caja de transmisión
Mecha
continua
FIGURA 9.12 Bobinado
de filamentos. (Crédito:
Fundamentals of Modern
Manufacturing, 4a. ed., de
Mikell P. Groover, 2010.
Reimpreso con autorización
de John Wiley & Sons, Inc.)
Baño de resina
Husillo giratorio
9.6 Bobinado de filamentos
El bobinado de filamentos es un proceso en el cual se enrollan fibras continuas impregnadas con
resina alrededor de un husillo giratorio, que tiene la forma interna del artículo de FRP que se
quiere producir. La resina es curada después y el husillo se retira. Se producen componentes
huecos de simetría axial (usualmente circular en sección transversal), así como formas irregulares. La forma más común del proceso se describe en la figura 9.12. Una banda de mecha de fibras
se pasa a través de un baño de resina inmediatamente antes de ser enredada en forma helicoidal
sobre un husillo cilíndrico. Continuando el patrón de bobinado se completa finalmente una capa
superficial sobre el husillo de un filamento grueso. La operación se repite para formar capas adicionales, cada una de éstas con un patrón entrecruzado respecto a la anterior, hasta obtener el
espesor adecuado.
Hay varios métodos para impregnar las fibras con resina: 1) bobinado húmedo, en el cual el
filamento pasa a través de la resina líquida solamente antes del bobinado, como en la figura; 2)
bobinado con productos preimpregnados, (también llamado bobinado seco), en el cual los filamentos preimpregnados con resina parcialmente curada se enrollan alrededor de un husillo calentado, y 3) postimpregnación, en el cual los filamentos se enrollan en el husillo y luego se impregnan con resina por medio de una brocha o alguna otra técnica.
Se usan dos patrones básicos de bobinado del filamento: a) helicoidal y b) polar (figura
9.13). En el bobinado helicoidal, la banda de filamentos se aplica en una forma espiral alrededor
del husillo con un ángulo de hélice θ. Si la banda se bobina con un ángulo de hélice que se aproxima a los 90° de manera que el avance del bobinado es de un ancho de banda por revolución y los
filamentos casi forman aros circulares alrededor del husillo o mandril, se denomina bobinado de
aro; éste es un caso especial de bobinado helicoidal. En el bobinado polar, el filamento se enrolla alrededor del eje mayor del husillo, como en la figura 9.13b); después de cada revolución
θ
a)
b)
FIGURA 9.13 Dos patrones básicos de bobinado de filamentos. a) helicoidal y b) polar. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de
John Wiley & Sons, Inc.)
204 CAPÍTULO 9
Procesos para dar forma al hule y a los materiales compósitos de matriz polimérica (PMC)
longitudinal, el husillo se corre (gira parcialmente) en un ancho de banda de manera que se va
creando gradualmente una forma hueca. Los patrones polares y de aro se pueden combinar en
bobinados sucesivos del husillo para producir capas adyacentes con direcciones del filamento
aproximadamente perpendiculares; a esto se le llama bobinado biaxial [3].
Las máquinas de bobinado de filamentos tienen capacidades de movimiento semejantes a las
de un torno tradicional (sección 16.2.3). La máquina típica tiene un motor que acciona el husillo
o mandril y un mecanismo de alimentación de potencia que mueve el carro. Las máquinas de
bobinado de filamentos disponen de diferentes tipos de control. El equipo moderno usa control
numérico por computadora (CNC, sección 29.1), en el cual la rotación del husillo y la velocidad
del carro se controlan independientemente para permitir mayores ajuste y flexibilidad de los movimientos relativos.
El husillo o mandril es la herramienta especial que determina la geometría de la pieza bobinada con filamento. Para la remoción de piezas, el husillo debe ser capaz de plegarse después del
bobinado y del curado de la pieza. Son posibles varios diseños del husillo, incluyendo husillos
inflables, husillos metálicos plegables y husillos hechos de yeso o de sales solubles.
Las aplicaciones del bobinado de filamentos se clasifican frecuentemente como aeroespaciales o comerciales [16], pero los requerimientos de ingeniería más exigentes son los de la primera
categoría. Dentro de las aplicaciones aeroespaciales se incluyen las carcasas de motor de cohetes,
cuerpos de proyectiles, aspas de helicópteros, secciones y estabilizadores de cola para aeroplanos. Estas piezas suelen estar hechas de resinas epóxicas reforzadas con fibras de carbono, boro,
Kevlar y vidrio. Dentro de las aplicaciones comerciales se incluyen los tanques de almacenamiento, tubos reforzados y tubería, ejes motrices, álabes de turbinas de viento y barras pararrayos; éstas se fabrican de FRP convencionales. Los polímeros incluyen resinas de poliéster, epóxicas y fenólicas; la fibra común para refuerzo es la de vidrio.
9.7
Procesos de pultrusión
El proceso básico de pultrusión se creó alrededor de 1950 para hacer cañas de pescar de polímero reforzado con fibra de vidrio (GFRP, Glass Fiber Reinforce Polymer). El proceso es similar a
la extrusión (de aquí la similitud del nombre), pero implica la atracción de la pieza de trabajo (de
aquí el prefijo inglés pul que se usa en lugar de ex). Como en la extrusión, la pultrusión produce
secciones continuas, rectas de sección transversal constante. Se puede usar un proceso relacionado, llamado pulformado, para hacer piezas curvas, que además tengan variaciones en la sección
recta a lo largo de la pieza.
9.7.1
Pultrusión
La pultrusión es un proceso en el cual se sumerge en un baño de resina una mecha continua de
fibras y después se tira de ellas a través de un dado formador donde es curada la resina impregnada. La disposición se esquematiza en la figura 9.14, que muestra cómo se corta el producto
curado en grandes secciones rectas. Estas secciones quedan reforzadas con fibras continuas en
toda su longitud. Como en la extrusión, las piezas tienen una sección transversal constante y un
perfil determinado por la forma de la abertura del dado.
El proceso consiste en cinco pasos (identificados en el esquema) que se ejecutan en una secuencia continua [3]: 1) alimentación de filamentos, las fibras se surten de una fileta (anaqueles
con clavijas que sostienen bobinas de filamento); 2) impregnación con resina, las fibras se sumergen en la resina líquida no curada; 3) formado de un dado previo, en el cual se da gradualmente la forma aproximada de la sección transversal deseada a la colección de filamentos; 4)
formado y curado, se tira de las fibras impregnadas a través del dado caliente cuya longitud es de
1 a 1.5 m (3 a 5 pies) y cuyas superficies internas están muy pulidas, y 5) estirado y cortado, en
donde se usan rodillos tractores para extraer del dado la longitud curada, después de lo cual se
corta mediante una rueda cortadora con granos de SiC o diamante. Las resinas comunes usadas en
pultrusión son poliésteres insaturados, epóxicos y silicones. Todas estas resinas son polímeros
9.8
Otros procesos de formado para PMC 205
1)
Dado previo de formado
Fileta
2)
Dado
3)
Baño de resina
Rodillos estiradores
4)
5)
Rueda
cortadora
Sección
FIGURA 9.14 Proceso de pultrusión (véase el texto para interpretar los números de la secuencia). (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)
termofijos. El procesamiento de los polímeros epóxicos presenta dificultades debido a su adherencia en las superficies del dado. El vidrio es por mucho el material de refuerzo más ampliamente usado; sus proporciones fluctúan entre 30 y 70%. El módulo de elasticidad y la resistencia a la
tensión se incrementan con el contenido de refuerzo. Los productos hechos por pultrusión incluyen varillas sólidas, tubería, tiras de lámina plana, perfiles estructurales (como canales, vigas
anguladas y compuestas), manivelas de herramientas para trabajo con alto voltaje y cubiertas
para el carril conductor de trenes subterráneos.
9.7.2
Pulformado
Los procesos de pultrusión se limitan a secciones rectas de sección transversal constante. Hay
también necesidad de piezas largas reforzadas con fibra continua, pero de forma más bien curva
cuya sección transversal puede variar a través de su longitud. Para estas piezas menos regulares
son apropiados los procesos de pulformado. El pulformado se puede definir como una pultrusión
con pasos adicionales para formar un contorno semicircular y alterar la sección transversal en
uno o más puntos a lo largo de su longitud. Un esquema del equipo se ilustra en la figura 9.15.
Después de salir del dado formador, la pieza continua de trabajo se alimenta dentro de una mesa
giratoria con moldes negativos colocados en su periferia. El trabajo se fuerza dentro de las cavidades de los moldes por medio de un dado de zapata que aprieta la sección transversal en varios
puntos y forma la curvatura. El diámetro de la mesa determina el radio de la pieza. Conforme la
pieza de trabajo sale de la mesa de dados, se corta a la longitud prevista para generar las piezas
separadas. En el pulformado se utilizan también las resinas y fibras que se usan en la pultrusión.
Una aplicación importante de este proceso es la producción de muelles de hoja para automóviles.
9.8 Otros procesos de formado para PMC
Son dignos de mencionarse algunos procesos para dar forma a los PMC entre los que se incluyen
el vaciado centrifugado, el laminado de tubos, el laminado continuo y el corte. Además, muchos
de los procesos tradicionales para dar forma a los termoplásticos son aplicables a los FRP (de
206 CAPÍTULO 9
Procesos para dar forma al hule y a los materiales compósitos de matriz polimérica (PMC)
Dado formador
FIGURA 9.15 Proceso
de pulformado (el esquema
no muestra la operación de
corte de la pieza pulformada). (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P.
Groover, 2010. Reimpreso
con autorización de John
Wiley & Sons, Inc.)
Mesa giratoria
Pieza pulformada
Dado de zapata
Forma del molde
fibras cortas) basados en polímeros TP; éstos incluyen el moldeo por soplado, el termoformado
y la extrusión.
Vaciado centrifugado Este proceso es ideal para productos cilíndricos como tubos y tanques.
El proceso es el mismo que su contraparte en fundición metálica (sección 6.3.5). Pequeños trozos
de fibras, combinados con resina líquida, se vacían en un molde cilíndrico que gira rápidamente.
La fuerza centrífuga presiona los ingredientes contra la pared del molde donde tiene lugar el curado. La superficie interna que resulta es bastante lisa. La contracción de la pieza o el uso de
moldes deslizantes o separados permiten la remoción de la pieza.
Los tubos de FRP se pueden fabricar a partir de láminas con productos
preimpregnados por una técnica de laminado [12], que se muestra en la figura 9.16. Dichos tubos
se usan en cuadros de bicicletas y armaduras especiales. En el proceso, se envuelve alrededor de
un husillo cilíndrico varias veces una lámina con productos preimpregnados precortada para obtener la pieza de un tubo de un espesor conformado de múltiples capas. La lámina enrollada se
encierra en una camisa que se contrae al calentarse y es curada en un horno. Cuando la camisa
se contrae, los gases atrapados los expulsa por los extremos del tubo. Cuando se completa el curado se retira el husillo para dejar un tubo laminado de FRP. La operación es simple y el costo de
las herramientas es bajo. El proceso puede variar en cuanto a los diferentes métodos de envoltura
y en el uso de moldes de acero para encerrar el rollo de productos preimpregnados y tener así un
mejor control dimensional.
Laminado de tubos
Laminado continuo En la construcción se usan paneles de plástico reforzado con fibra, algunas veces translúcidos y corrugados. Su producción involucra varios procesos: 1) impregnación
de capas de esteras de fibra de vidrio o tela tejida por inmersión en resina líquida o pasándola
v
Alimentación de
hoja de preimpregnados
Husillo
o mandril
v
a)
b)
FIGURA 9.16 Laminado de tubos que muestra a) un medio posible de envolver productos preimpregnados de FRP alrededor de un husillo o mandril, y b) el tubo terminado después del curado y de retirar el
husillo. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)
Preguntas de repaso 207
bajo un bisturí, 2) unión entre películas de cubierta (celofán, poliéster u otro polímero) y 3) compactación entre rodillos de presión y curado; 4) el corrugado se agrega por medio de rodillos de
formado o zapatas de molde.
Métodos de corte Los compósitos laminados FRP se cortan ya sea en el estado curado o no
curado. Los materiales no curados (productos preimpregnados, preformas, SMC y otras formas
iniciales) se cortan al tamaño para aplicación de capas, moldeado, etc. Las herramientas tradicionales de corte incluyen navajas, tijeras, cizallas de potencia y cizallas manuales. También se usan
métodos no tradicionales de corte, como corte por rayo láser y por chorro de agua (capítulo 19).
Los FRP curados son duros, tenaces, abrasivos y difíciles de cortar. Pero en muchos de los
procesos de formado de FRP es necesario cortarlos para eliminar el material en exceso, hacer
orificios y perfiles y para otros propósitos. Las herramientas de corte de carburo cementado y
sierras de acero de alta velocidad se deben usar para cortar plásticos reforzados con fibra de vidrio. En algunos compósitos avanzados (por ejemplo boro-epóxico) se obtienen mejores resultados con las herramientas de corte con diamante. Se usa también con buenos resultados el corte
con chorro de agua en los FRP curados; este proceso reduce el polvo y los problemas de ruido
asociados con los métodos convencionales de aserrado.
Referencias
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Preguntas de repaso
9.1. ¿Cómo está organizada la industria del hule?
9.2. ¿Cuál es la secuencia de pasos de procesamiento que se requiere para producir bienes terminados de hule?
9.3. ¿Cuáles son algunos de los aditivos que se combinan con el
hule durante la composición?
9.4. Mencione las cuatro categorías básicas de procesos que se
utilizan para dar forma al hule.
9.5. ¿Qué le hace la vulcanización al hule?
9.6. Mencione las tres estructuras básicas de neumáticos y señale
brevemente las diferencias entre ellas.
208 CAPÍTULO 9
Procesos para dar forma al hule y a los materiales compósitos de matriz polimérica (PMC)
9.7. ¿Cuáles son las tres etapas básicas de la manufactura de un
neumático?
9.8. ¿Cuál es el propósito de los cordones de talón (cejas) de un
neumático?
9.9. ¿Qué es un TPE?
9.10. ¿Cuáles son los polímeros usados más comúnmente en los
polímeros reforzado con fibra?
9.11. ¿Cuál es la diferencia entre mecha e hilo?
9.12. ¿Qué es una estera en el contexto de los refuerzos de fibra?
9.13. ¿Por qué se considera que las partículas y las hojuelas son
miembros de la misma clase de materiales de refuerzo?
9.14. ¿Qué es un compuesto para el moldeo de láminas (SMC)?
9.15. ¿En qué se diferencia un producto preimpregnado de un
compuesto moldeado?
9.16. ¿Por qué los productos laminados de FRP hechos por el método de aspersión no son tan fuertes como los productos similares hechos por aplicación manual?
9.17. ¿Qué es un autoclave?
9.18. ¿Cuáles son algunas de las ventajas del procesamiento en
molde cerrado para PMC en relación con el proceso del molde abierto?
9.19. Identifique algunas de las diferentes formas de compuestos
de moldeo para los compósitos de matriz polimérica.
9.20. ¿Qué es el moldeo preformado?
9.21. Describa el moldeo por inyección con reacción reforzada
(RRIM).
9.22. ¿Qué es el bobinado de filamentos?
9.23. Describa el proceso de pultrusión.
9.24. ¿En qué se diferencia el pulformado de la pultrusión?
9.25. ¿Cómo se cortan los FRP?
PARTE III
Procesamiento de partículas
para metales y cerámicos
10
Metalurgia de polvos
CONTENIDO DEL CAPÍTULO
10.1
10.2
10.3
Producción de polvos metálicos
10.1.1 Atomización
10.1.2 Otros métodos de producción
Prensado convencional y sinterizado
10.2.1 Mezclado y mezclado combinado de
polvos
10.2.2 Compactación
10.2.3 Sinterizado
10.2.4 Operaciones secundarias
Alternativas de prensado y técnicas de
sinterizado
10.3.1 Prensado isostático
10.3.2 Moldeo por inyección de polvos
10.3.3 Laminado, extruido y forjado de polvos
10.3.4 Combinación de prensado y sinterizado
10.3.5 Sinterizado en fase líquida
10.4 Materiales y productos para metalurgia
de polvos
10.5 Consideraciones de diseño en metalurgia
de polvos
Apéndice A10 Características de los polvos en
ingeniería
A10.1 Características geométricas
A10.2 Otras características
En esta parte del libro se estudia el procesamiento de metales y cerámicos que se encuentran en
la forma de polvos, partículas sólidas muy pequeñas. En el caso de los cerámicos tradicionales,
los polvos son producidos mediante el triturado y la molienda de materiales que comúnmente se
encuentran en la naturaleza, como los minerales de silicato (arcilla) y el cuarzo. En el caso de los
metales y los nuevos materiales cerámicos (aquéllos basados principalmente en óxidos y carburos), los polvos se producen mediante una gran variedad de procesos industriales. En dos capítulos se cubrirán los procesos para la fabricación de polvos así como los métodos que se utilizan
para dar forma a los productos a partir de dichos polvos: el capítulo 10 trata acerca de la metalurgia de polvos, mientras que el capítulo 11 estudia el procesamiento de cerámicos y cermets a
nivel partícula.
La metalurgia de polvos (PM, powder metallurgy) es una tecnología de procesamiento de
metales en la que se producen piezas a partir de polvos metálicos. En la secuencia usual de producción de la PM, los polvos se comprimen para darles la forma deseada y luego se calientan para
ocasionar la unión o el enlace entre partículas en una masa dura y rígida. La compresión, llamada
prensado, se realiza en una máquina tipo prensa cuyas herramientas se diseñan específicamente
para la pieza que se va a producir. Las herramientas, que consisten generalmente en un dado y uno
o más punzones, pueden ser costosas y es por esto que la PM es más adecuada para niveles de pro-
210 CAPÍTULO 10
Metalurgia de polvos
ducción medianos o altos. El tratamiento térmico, llamado sinterizado, se realiza a una temperatura
por debajo del punto de fusión del metal. Las consideraciones que hacen de la metalurgia de polvos
un proceso importante desde el punto de vista comercial y tecnológico son las siguientes:
• Las piezas de PM se pueden producir masivamente en forma neta (completa) o casi neta,
eliminando o reduciendo la necesidad de un procesamiento de forma posterior.
• Los procesos de la PM implican muy poco desperdicio de material, cerca de 97% de los
polvos iniciales se convierten en producto. Esto se compara favorablemente con los procesos
de fundición en los cuales los bebederos, sistemas de alimentación y mazarotas son material de
desperdicio en cada ciclo de producción.
• Debido a la naturaleza del material inicial en la PM, se pueden hacer piezas con un nivel
específico de porosidad. Esta característica se presta a la producción de piezas de metal poroso, como cojinetes y engranes impregnados con aceite, así como filtros.
• Ciertos metales que son difíciles de fabricar por otros métodos, se pueden formar por metalurgia de polvos. El tungsteno es un ejemplo: los filamentos de tungsteno que se usan en las
lámparas incandescentes se fabrican con tecnología de PM.
• Ciertas combinaciones de aleaciones metálicas y cermets que no se pueden producir por
otros métodos se pueden hacer por PM.
• La PM se compara favorablemente con la mayoría de los procesos de fundición en lo que se
refiere al control dimensional de los productos. Las tolerancias rutinarias que se pueden lograr son de ±0.13 mm (±0.005 pulg).
• Los métodos de producción de PM se pueden automatizar para hacer más económica la
operación.
Hay limitaciones y desventajas asociadas con el procesamiento de PM. Éstas incluyen: 1)
alto costo del equipo y de las herramientas; 2) alto costo de los polvos metálicos; 3) dificultades
en el almacenamiento y manejo de polvos metálicos (como degradación del metal a través del
tiempo y riesgos de incendio del metal en polvo fino); 4) limitaciones en la forma de las piezas,
debido a que los polvos metálicos no fluyen fácilmente en dirección lateral dentro del dado durante el prensado, y las tolerancias deben permitir que la pieza pueda expulsarse del dado después
del prensado, y 5) las variaciones de la densidad del material a través de la pieza pueden ser un
problema, especialmente para piezas de forma compleja.
Aunque se pueden producir piezas grandes hasta de 22 kg (50 lb), la mayoría de los componentes hechos por PM son menores de 2.2 kg (5 lb). Una colección típica de estas piezas se muestra en
la figura 10.1. Las aleaciones de hierro, acero y aluminio constituyen el mayor tonelaje de metales
que se usan en la PM. Otros metales
incluyen cobre, níquel y metales refractarios como el molibdeno y el
tungsteno. Los carburos metálicos
como el carburo de tungsteno se incluyen frecuentemente dentro del
campo de la metalurgia de polvos;
sin embargo, como estos materiales
son cerámicos, se estudiarán en el
capítulo siguiente.
El éxito en la metalurgia de
polvos depende en gran parte de las
características de los polvos iniciales; este tema se analizará en el
apéndice del presente capítulo. Al
trabajar con cerámicos (con excepción del vidrio) los materiales de
FIGURA 10.1 Una colección de piezas fabricadas mediante
partida son también polvos, así que
metalurgia de polvos (cortesía de Dorst America, Inc.). (Crédilos métodos para caracterizar los
to: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell
P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & polvos cerámicos están estrechamente relacionados con la PM.
Sons, Inc.)
10.1
Producción de polvos metálicos 211
10.1 Producción de polvos metálicos
Para iniciar, debe señalarse que los productores de polvos metálicos no son las mismas compañías que hacen las piezas de PM. Los productores de polvo son los proveedores y las plantas que
hacen los componentes a partir de polvos metálicos son los clientes. Los procesos usados por los
proveedores se analizan en esta sección y los procesos que emplean los productores de piezas
mediante PM se estudian en las secciones 10.2 a 10.3.
Prácticamente cualquier metal puede reducirse a la forma de polvo. Hay tres métodos principales para producir comercialmente polvos metálicos, cada uno de los cuales implica consumo
de energía para incrementar el área superficial del metal. Los métodos son: 1) atomización, 2)
químico y 3) electrolítico [13]. Ocasionalmente se usan métodos mecánicos para reducir el tamaño de los polvos; sin embargo, estos métodos se asocian más comúnmente con la producción de
polvos cerámicos y se tratarán en el capítulo siguiente.
10.1.1 Atomización
Este método implica la conversión de un metal fundido en un rocío de pequeñas gotas que se
solidifican en forma de polvos. Es el método más versátil y popular para producir polvos metálicos en la actualidad, y aplicable a casi todos los metales, aleaciones o metales puros. Hay muchas
maneras de crear el rocío de metal fundido, varias de ellas se ilustran en la figura 10.2. Dos de los
métodos se basan en la atomización con gas, en los que se utiliza una corriente de gas a alta velocidad (aire o gas inerte) para atomizar el metal líquido. En la figura 10.2c), el gas fluye a través
de una boquilla de expansión y succiona el metal líquido de la fusión que se encuentra debajo,
rociándolo en un recipiente. Las gotas se solidifican en forma de polvo. En un método parecido
que se muestra en la figura 10.2b), el metal fundido fluye por gravedad a través de una boquilla y
se atomiza inmediatamente por chorros de aire. Los polvos metálicos resultantes, los cuales tienden a ser esféricos, se recolectan en una cámara situada debajo.
El método que se ilustra en la figura 10.2c) es similar a b), excepto que se utiliza una corriente de agua a alta velocidad en lugar de aire. Éste se conoce como atomizado por agua y es el más
común de los métodos de atomizado, particularmente apropiado para metales que se funden por
abajo de 1 600 °C (2 900 °F). El enfriamiento es más rápido y la forma del polvo resultante es
más irregular que esférica. La desventaja de usar agua es la oxidación en la superficie de las partículas. Una reciente innovación usa aceite sintético en lugar de agua para reducir la oxidación.
Tanto en el proceso de atomizado con aire como el de agua, el tamaño de las partículas se controla en gran parte por la velocidad de la corriente de fluido; el tamaño de partícula varía en relación
inversa con la velocidad.
Varios métodos se basan en el atomizado centrífugo. Una versión es el método de disco
rotatorio, mostrado en la figura 10.2d), donde se vierte una corriente de metal líquido en un disco que gira rápidamente y que rocía el metal en todas direcciones pulverizándolo.
10.1.2
Otros métodos de producción
Entre otros métodos de producción de polvos se incluyen varios procesos de reducción química,
métodos de precipitación y electrólisis.
La reducción química comprende una serie de reacciones químicas que reducen los compuestos metálicos a polvos metálicos elementales. Un proceso común consiste en la liberación de
los metales de sus óxidos mediante el uso de agentes reductores como hidrógeno o monóxido
de carbono. El agente reductor se produce para combinarlo con el oxígeno del compuesto y liberar el elemento metálico. Por este método se producen polvos de hierro, de tungsteno y de cobre.
Otro proceso químico para polvos de hierro implica la descomposición del pentacarbonilo de
hierro (Fe(Co)5) para producir partículas esféricas de alta pureza. Los polvos producidos por este
método se ilustran en la fotomicrografía de la figura 10.3. Otros procesos químicos incluyen la
212 CAPÍTULO 10 Metalurgia de polvos
Metal fundido
Cámara de
recolección
Boquilla
Rociado
Gas
Gas
Gas
Cámara de
recolección
Sifón
Metal fundido
Metal fundido
Polvos metálicos
b)
a)
Polvos metálicos
FIGURA 10.2 Varios métodos de atomización para
producir polvos metálicos:
a) y b) dos métodos de
atomización por gas;
c) atomización con agua,
y d) atomización centrífuga
por el método de disco
giratorio. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell
P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John
Wiley & Sons, Inc.)
Agua
Metal fundido
Agua
Chorro de agua
Cámara de
recolección
Agua
c)
Polvos
metálicos
Polvos
metálicos
Disco
giratorio
Cámara de
recolección
d)
Flecha
motriz
precipitación de elementos metálicos de sus sales disueltas en agua. Los polvos de cobre, níquel
y cobalto se pueden producir por este método.
En la electrólisis se prepara una celda electrolítica en la cual la fuente del metal a pulverizar
es el ánodo. El ánodo se disuelve lentamente por la acción del voltaje aplicado, se mueve a través
del electrólito y se deposita en el cátodo. El depósito se retira, se lava y se seca, obteniéndose un
polvo metálico de alta pureza. Esta técnica se usa para obtener polvos de berilio, cobre, hierro,
plata, tantalio y titanio.
FIGURA 10.3 Polvos de
hierro producidos mediante
atomizado por agua. Foto
cortesía de T. F. Murphy y
Hoeganaes Corporation.
10.2
Prensado convencional y sinterizado 213
10.2 Prensado convencional y sinterizado
Después de la producción de polvos metálicos, la secuencia convencional de la metalurgia de
polvos utilizada por los fabricantes de piezas consiste en tres pasos: 1) mezclado y mezclado
combinado de los polvos; 2) compactación, en la cual se prensan los polvos para obtener la forma
deseada, y 3) sinterizado, que implica calentamiento a una temperatura por debajo del punto de
fusión para provocar la unión de las partículas en estado sólido y el fortalecimiento de la pieza.
Estos tres pasos, algunas veces referidos como operaciones primarias de la metalurgia de polvos,
se ilustran en la figura 10.4. En ocasiones también se ejecutan operaciones secundarias destinadas a mejorar la precisión dimensional, incrementar la densidad y para otros propósitos.
10.2.1
Mezclado y mezclado combinado de polvos
Para lograr buenos resultados en la compactación y el sinterizado, los polvos metálicos necesitan
homogeneizarse por completo antes del proceso. Los términos mezclado y mezclado combinado
se usan en este contexto. El mezclado (blending, en inglés) se refiere a la mezcla de polvos de la
misma composición química, pero posiblemente con diferentes tamaños de partícula. Los tamaños diferentes de partículas se revuelven frecuentemente para reducir la porosidad. El mezclado
combinado (mixing, en inglés) se refiere a la unión de polvos de distinta composición química.
Una ventaja de la tecnología de metalurgia de polvos es la oportunidad de generar una mezcla
combinada con varios metales en aleaciones que sería difícil o imposible producir por otros medios. La diferencia entre mezclado y mezclado combinado no siempre es precisa en la práctica
industrial.
El mezclado y el mezclado combinado se realizan por medios mecánicos. Algunas alternativas se ilustran en la figura 10.5, éstas son: a) por rotación en tambor, b) por rotación en un recipiente de cono doble, c) por agitación en un mezclador (para mezclado combinado) de tornillo y
d) por agitación en un mezclador (para mezclado combinado) de paletas. En estos dispositivos
hay más ciencia de la que se puede sospechar. Los mejores resultados se obtienen cuando se
llenan entre 20 y 40% de su capacidad. Los recipientes se diseñan generalmente con difusores
(pantallas) internos u otras formas para impedir la caída libre durante el mezclado de polvos de
diferentes tamaños, debido a que las variaciones en la velocidad de asentamiento de los distintos
tamaños generan segregación, justamente lo opuesto a lo que es buscado en el mezclado. No es
conveniente que los polvos se sometan a vibración, ya que esto también produce segregación.
a)
FIGURA 10.4 Secuencia
convencional de producción
en metalurgia de polvos: 1)
mezclado, 2) compactado y
3) sinterizado; en a) se
muestra la condición de las
partículas, mientras que en
b) se muestran las operaciones y la pieza durante la
secuencia. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell
P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John
Wiley & Sons, Inc.)
F
Cono
mezclador
Punzón
superior
Dado
b)
Punzón
inferior
F
1)
2)
3)
214 CAPÍTULO 10 Metalurgia de polvos
Paleta
Tornillo
a)
b)
c)
d)
FIGURA 10.5 Varios dispositivos de mezclado y mezclado combinado: a) tambor rotatorio, b) doble
cono rotatorio, c) mezclador (para mezclado combinado) de tornillo y d) mezclador (para mezclado combinado) de paletas. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover,
2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)
Generalmente se añaden otros ingredientes a los polvos metálicos durante el paso de mezclado y/o mezclado combinado. Estos aditivos son: 1) lubricantes, como los estearatos de zinc y de
aluminio en pequeñas cantidades para reducir la fricción entre las partículas y en las paredes del
dado durante la compactación; 2) aglutinantes, que se requieren en algunos casos para lograr una
resistencia adecuada en las piezas prensadas pero no sinterizadas, y 3) desfloculantes, que inhiben la aglomeración de los polvos para mejorar sus características de flujo durante el procesamiento subsecuente.
10.2.2
Compactación
En la compactación se aplica alta presión a los polvos para darles la forma requerida. El método
convencional de compactación es el prensado, en el cual punzones opuestos aprietan el polvo
contenido en un dado. Los pasos en el ciclo de prensado se muestran en la figura 10.6. A la pieza
de trabajo después de prensada se le llama compactado en verde, el término verde significa que
la pieza no está completamente procesada. Como resultado del prensado, la densidad de la pieza,
llamada densidad en verde, es mucho más grande que la densidad volumétrica inicial. La resistencia en verde de la pieza es adecuada para el manejo cuando es prensada, pero mucho menor
que la que se logra después del sinterizado.
La presión que se aplica en la compactación produce inicialmente un reempaquetamiento de
los polvos en un arreglo más eficiente, eliminando los “puentes” que se forman durante el llenado, reduce el espacio de los poros e incrementa el número de puntos de contacto entre las partículas. Al incrementarse la presión, las partículas se deforman plásticamente, ocasionando que el
área de contacto interparticular aumente y entren en contacto partículas adicionales. Esto viene
acompañado de una reducción posterior del volumen de los poros. La progresión se ilustra en la
figura 10.7 para partículas iniciales de forma esférica. También se muestra la densidad asociada,
representada para las tres vistas como una función de la presión aplicada.
Las prensas usadas en la compactación convencional en la metalurgia de polvos son mecánicas, hidráulicas o una combinación de las dos. En la figura 10.8 se muestra una unidad hidráulica
de 450 kN (50 ton). Debido a diferencias en la complejidad de las piezas asociadas a los requerimientos de prensado, las prensas se pueden clasificar en 1) prensado en una dirección, con prensas de acción simple; o 2) prensado en dos direcciones, con prensas de varios tipos, incluyendo
las de arietes hidráulicos opuestos, de doble acción o de múltiple acción. La tecnología de las
prensas comúnmente disponibles puede suministrar hasta diez acciones de control separadas
para producir piezas de forma bastante compleja. Se examinará la complejidad de las piezas y
otros aspectos de diseño en la sección 10.5.
Section 10.2/Conventional Pressing and Sintering
10.2
Prensado convencional y sinterizado 215
FIGURE 10.6 Pressing,
the conventional method
of compacting metal
powders in PM: (1) filling
Manufacturing, 4a. ed., de
Mikell P. Groover, 2010.
Reimpreso con autorización
de John Wiley & Sons, Inc.)
v
Punzón
superior
v, F
v, F
Polvos
Alimentador
v
Dado
Punzón
inferior
v
v, F
F
can be distinguished as (1) pressing from one direction, referred to as single-action
4) including opposed ram,
1)
presses; or (2) pressing
from two2)directions, any3)of several types
double-action, and multiple action. Current available press technology can provide up to
10 separate action controls to produce parts of significant geometric complexity. We
examine part complexity and other design issues in Section 10.5.
La capacidad
de una
producción
en PM
se da generalmente
en toneladas,
kN
The capacity
of aprensa
press para
for PM
production
is generally
given in tons
or kN or oMN.
o The
MN.required
La fuerzaforce
requerida
para el prensado
del área proyectada
la part
pieza(area
(áreain
enthe
el
for pressing
depends depende
on the projected
area of thede
PM
plano
horizontal
parafor
una
prensa vertical)
multiplicadabypor
presión necesaria
para
compactar
horizontal
plane
a vertical
press) multiplied
thelapressure
needed to
compact
the
losgiven
polvos
del metal.
Expresando
estothis
en forma
de ecuación,
metal
powders.
Reducing
to equation
form,
(10.1)
(10.1)
F ¼ Ap pc
donde F = fuerza requerida, N (lb); Ap = área proyectada de la pieza, mm2 (pulg2), y pc = presión de compactación requerida para el material en polvo específico, MPa (lb/pulg2). Las presiones típicas de compactación fluctúan entre 70 MPa (10 000 lb/pulg2) para polvos de aluminio y
700 MPa (100 000 lb/pulg2) para polvos de hierro y acero.
Densidad real
100%
3)
2)
Densidad
the die cavity with powder, done by automatic
FIGURA
10.6 Prensado,
feed in production,
el(2)
método
convencional
de
initial,
and (3) final
compactación
polvos
positions ofde
upper
metálicos en metalurgia de
and lower punches
polvos: 1) llenado de la
during compaction, and
cavidad del dado con pol(4) ejection
ofautomático
part.
vos,
por llenado
(Credit:
Fundamentals
en la producción; 2) posiof Modern
ción
inicial; 3)Manufacturposición
Edition
byinfeMikell
ing,
4thlos
final de
punzones
rior
y superior 2010.
durante la
P. Groover,
compactación,
y 4)permiseyecReprinted with
ción
pieza.Wiley
(Crédito:
siondeoflaJohn
&
Fundamentals
of
Modern
Sons, Inc.)
221
50%
1)
FIGURE 10.7
(a) Effect of applied pressure during compaction: (1) initial loose powders after filling, (2) repacking, and (3) deformation of particles; and (b) density of the
0%
powders
2) of pressure.3)The sequence here
0 corresponds to steps 1, 2, and
1) as a function
Edition by Mikell
3 in Figure 10.6. (Credit: Fundamentals of Modern Manufacturing,
4thcompactación
Presión de
P. Groover, 2010. Reprinted
with
permission
of
John
Wiley
&
Sons,
Inc.)
a)
b)
FIGURA 10.7 a) Efecto de la presión aplicada durante la compactación: 1) polvos sueltos iniciales
después del llenado, 2) reempaquetamiento y 3) deformación de las partículas; y b) densidad de los polvos
en función de la presión. La secuencia corresponde a los pasos 1, 2 y 3 de la figura 10.6. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de
John Wiley & Sons, Inc.)
216 CAPÍTULO 10 Metalurgia de polvos
10.2.3
Sinterizado
Después del prensado, el compactado en verde carece de fuerza y resistencia,
se desmorona fácilmente al menor esfuerzo. El sinterizado es una operación
de tratamiento térmico que se ejecuta sobre el compactado para unir sus
partículas metálicas, incrementando de esta manera su fuerza y resistencia.
El tratamiento se lleva a cabo generalmente a temperaturas entre 0.7 y 0.9 del
punto de fusión del metal (en una escala absoluta). El término sinterizado en
estado sólido o sinterizado en fase sólida se usa algunas veces para este
sinterizado convencional debido a que el metal permanece sin fundir a la
temperatura del tratamiento.
En opinión de los investigadores, la fuerza básica que mueve al sinterizado es la reducción de la energía superficial [6], [16]. El compactado en
verde consiste en muchas partículas distintas que tienen su propia superficie;
por tanto, el área superficial total contenida en el compactado es muy alta.
Bajo la influencia del calor, el área se reduce por la formación y crecimiento
de uniones o contactos entre las partículas; esto implica la reducción de la
energía superficial. Mientras más fino sea el polvo inicial, más alta será la superficie del área total y más grande la fuerza que mueve al proceso.
La serie de dibujos en la figura 10.9 muestra en escala microscópica los
FIGURA 10.8 Prensa hidráulica de 450 kN (50
cambios
que ocurren durante el sinterizado de los polvos metálicos. El sinteton) para compactación de componentes de metarizado
implica
transporte de masa para crear los cuellos y transformarlos en
lurgia de polvos. Foto cortesía de Dorst America,
límites de grano. El principal mecanismo para que esto ocurra es la difusión;
Inc. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacotro posible mecanismo es el flujo plástico. La contracción de la pieza voluturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimmétrica ocurre durante el sinterizado como resultado de la reducción del tapreso con autorización de John Wiley & Sons,
Inc.)
maño de los poros. Esto depende en gran medida de la densidad del compactado en verde, y ésta a su vez de la presión durante la compactación. Cuando
las condiciones del procesamiento se controlan estrechamente, la contracción generalmente es
predecible.
Dado que las aplicaciones de la PM involucran generalmente producciones que van de medianas a altas, la mayoría de los hornos de sinterizado se diseñan con dispositivos mecanizados para
el traslado de las piezas de trabajo durante el proceso. El tratamiento térmico consiste en tres
pasos realizados en tres cámaras de hornos continuos: 1) precalentado, en el cual se queman los lubricantes y los aglutinantes, 2) sinterizado y 3) enfriado. El tratamiento se ilustra en la figura 10.10.
Las temperaturas típicas y los tiempos de sinterizado se proporcionan en la tabla 10.1 para metales seleccionados.
Puntos
de contacto
Poros
Cuellos
Límites
de grano
Poro
1)
2)
3)
4)
FIGURA 10.9 Sinterizado a escala microscópica: 1) la unión de las partículas se inicia en los puntos de
contacto, 2) los puntos de contacto crecen para convertirse en “cuellos”, 3) los poros entre las partículas
reducen su tamaño y 4) se desarrollan límites de grano entre las partículas, en las regiones donde había
cuellos. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)
Prensado convencional y sinterizado 217
10.2
Temperatura del horno
(línea continua)
Temperatura
Temperatura de
la pieza (línea punteada)
Precalentamiento
Sinterizado
Enfriamiento
Tiempo
a)
FIGURA 10.10 a) Ciclo
típico de tratamiento térmico durante el sinterizado y
b) sección transversal esquemática de un horno
continuo de sinterizado.
(Crédito: Fundamentals of
Modern Manufacturing,
4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con
autorización de John Wiley
& Sons, Inc.)
Sinterizado
Precalentamiento
Enfriamiento
Deflector
o pantalla
Banda continua
de transporte
durante la operación
v
b)
En la práctica moderna del sinterizado se controla la atmósfera del horno. Los propósitos de
la atmósfera controlada son: 1) proteger de la oxidación, 2) proporcionar una atmósfera reductora para remover los óxidos existentes, 3) suministrar una atmósfera carburante y 4) ayudar a la
remoción de los lubricantes y aglutinantes que se usan en el prensado. Las atmósferas de los
hornos de sinterizado comunes son: de gas inerte, basadas en nitrógeno, de amoniaco disociado,
de hidrógeno y basadas en gas natural [6]. Las atmósferas al vacío se usan para ciertos metales
como los aceros inoxidables y el tungsteno.
10.2.4
Operaciones secundarias
Para completar la pieza, pueden requerirse operaciones secundarias de PM; éstas incluyen la densificación, el dimensionamiento, la impregnación, la infiltración, el tratamiento térmico y el acabado.
Densificación y dimensionamiento Numerosas operaciones secundarias pueden ejecutarse sobre la pieza prensada y sinterizada para aumentar la densidad y mejorar la precisión, o para lograr
formas adicionales. El reprensado es una operación de prensado en la cual se aprieta la pieza en un
TABLA 10.1 Temperaturas y tiempos típicos de sinterizado para polvos de metales seleccionados
Temperaturas de sinterizado
Metal
Acero inoxidable
Bronce
Cobre
Hierro
Latón
Tungsteno
Recopilada de [10] y [17].
°C
°F
Tiempo típico
1 200
820
850
1 100
850
2 300
2 200
1 500
1 600
2 000
1 600
4 200
45 min
15 min
25 min
30 min
25 min
480 min
218 CAPÍTULO 10 Metalurgia de polvos
dado cerrado para aumentar la densidad y mejorar las propiedades físicas. El dimensionamiento es
la compresión de una pieza sinterizada para mejorar su precisión dimensional. El acuñado es una
operación de prensado sobre una pieza sinterizada para imprimir detalles en su superficie.
Algunas piezas sinterizadas requieren un maquinado posterior. Rara vez se utiliza el maquinado para dimensionar las piezas, más bien se usa para crear características geométricas que no
se pueden lograr por prensado, como son cuerdas internas o externas, perforaciones laterales y
otros detalles.
Impregnación e infiltración La porosidad es una característica única e inherente a la tecnología de metalurgia de polvos. Ésta se puede aprovechar para crear productos especiales, llenando
el espacio disponible en los poros con aceite, polímeros o metales que tienen un punto de fusión
más bajo que la base del metal en polvo.
Impregnación es el término que se usa cuando se introduce aceite u otro fluido dentro de los
poros de una pieza sinterizada. Los productos más comunes de este proceso son los cojinetes
impregnados con aceite, los engranes y componentes similares de maquinaria. Los cojinetes autolubricados, fabricados usualmente de bronce o hierro con 10 a 30% de aceite en volumen, se
usan ampliamente en la industria automotriz. Los tratamientos se realizan mediante inmersión de
las piezas sinterizadas en un baño de aceite caliente.
Una aplicación alterna de la impregnación involucra las piezas de la metalurgia de polvos
que deben hacerse resistentes a la presión o impenetrables a los fluidos. En este caso, las piezas
se impregnan con varios tipos de resinas de polímeros que ingresan en los espacios de los poros
en forma líquida y luego se solidifican. En algunos casos, la impregnación de resina se utiliza
para facilitar el procesamiento subsecuente, por ejemplo, para permitir el uso de soluciones de
procesamiento (como los químicos para deposición) que de otra forma podrían empapar los poros y así degradar el producto, o para mejorar el maquinado de la pieza de la metalurgia de polvos.
La infiltración es una operación en la cual se llenan los poros de las piezas de PM con un
metal fundido. El punto de fusión del metal de relleno debe ser menor que el de la pieza. El proceso implica calentar el metal de relleno en contacto con el componente sinterizado de manera
que la acción de capilaridad haga fluir al relleno dentro de los poros. La estructura resultante es
relativamente no porosa y la pieza infiltrada tiene una densidad más uniforme, así como una tenacidad y una resistencia mejoradas. Una aplicación de este proceso es la infiltración con cobre
de las piezas con PM de hierro sinterizado.
Los componentes de polvos metálicos pueden tratarse térmicamente (capítulo 20) y terminarse (galvanoplastia o pintura, capítulo 21) por la mayoría de los
mismos procesos que se usan en las piezas producidas por fundición y otros procesos de trabajo
de metales. Debido a la porosidad de las piezas sinterizadas, se debe tener cuidado con algunos de
estos tratamientos, por ejemplo, no deben usarse los baños de sales para calentar estas piezas.
Se pueden aplicar a las piezas sinterizadas operaciones de deposición y recubrimiento con fines de
apariencia y resistencia a la corrosión. Se debe tener cuidado para evitar que las soluciones químicas queden atrapadas en los poros; frecuentemente se usan la impregnación y la infiltración
para este propósito. Las deposiciones comunes para piezas sinterizadas incluyen cobre, níquel,
cromo, zinc y cadmio.
Tratamiento térmico y acabado
10.3 Alternativas de prensado y técnicas de sinterizado
La secuencia convencional de prensado y sinterizado es la más utilizada en la tecnología de la
metalurgia de polvos. Los métodos para procesamientos adicionales se analizan en esta sección.
10.3.1
Prensado isostático
Una característica del prensado convencional es que la presión se aplica uniaxialmente. Esto
impone limitaciones sobre la forma de la pieza, ya que los polvos metálicos no fluyen fácilmente
10.3 Alternativas de prensado y técnicas de sinterizado 219
Recipiente a presión
Núcleo sólido (pasador)
Fluido
presurizado
Molde de hule
Carga (polvos)
1)
2)
3)
FIGURA 10.11 Prensado isostático en frío: 1) se colocan los polvos en el molde flexible, 2) se aplica presión hidrostática sobre el molde para compactar los polvos y 3) se reduce la presión y se retira la pieza. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de
Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)
en dirección perpendicular a la aplicación de la presión. El prensado uniaxial produce también
variaciones de densidad en la compactación, después del prensado. En el prensado isostático, la
presión se aplica en todas direcciones contra los polvos contenidos en el molde flexible; para
lograr la compactación se usa la presión hidráulica. El prensado isostático puede hacerse de dos
formas: 1) prensado isostático en frío y 2) prensado isostático en caliente.
El prensado isostático en frío (CIP, cold isostatic pressing) es un compactado que se realiza
a temperatura ambiente. El molde, hecho de hule u otro material elastómero, se sobredimensiona
para compensar la contracción. Se usa agua o aceite para ejercer la presión hidrostática contra el
molde dentro de la cámara. La figura 10.11 ilustra la secuencia del proceso en prensado isostático en frío. Las ventajas del CIP incluyen una densidad más uniforme, herramientas menos costosas y mayor aplicación a corridas cortas de producción. Es difícil lograr una buena precisión dimensional en el prensado isostático debido a la flexibilidad del molde. En consecuencia, se
requieren operaciones de formado y acabado antes o después del sinterizado, para obtener las
dimensiones requeridas.
El prensado isostático en caliente (HIP, hot isostatic pressing) se lleva a cabo a alta presión
y temperatura, usando como medio de compresión un gas que puede ser argón o helio. El molde
que contiene los polvos se hace de lámina de metal para resistir altas temperaturas. El HIP realiza en un paso el prensado y la sinterización. A pesar de esta aparente ventaja, es un proceso relativamente costoso y sus aplicaciones parecen concentrarse actualmente en la industria aeroespacial. Las piezas de PM hechas por HIP se caracterizan por su alta densidad (porosidad cercana a
cero), unión interparticular completa y buena resistencia mecánica.
10.3.2
Moldeo por inyección de polvos
El moldeo por inyección se asocia estrechamente con la industria de los plásticos (sección 8.6).
Se puede aplicar el mismo proceso básico para formar piezas de polvos metálicos o cerámicos, la
diferencia es que el polímero inicial contiene una alta proporción de materia particulada, típicamente entre 50 y 85% en volumen. En metalurgia de polvos se usa el término moldeo por inyección metálica (MIM, metal injection molding). El proceso más general es el moldeo por inyección
de polvos (PIM, powder injection molding), que incluye polvos metálicos y cerámicos. En el
MIM, los pasos son los siguientes [7]: 1) los polvos metálicos se unen por un mezclado combinado con un aglutinante apropiado; 2) se forman partículas granulares con la mezcla combinada;
3) las partículas se calientan a la temperatura de moldeo, se inyectan en la cavidad de un molde
220 CAPÍTULO 10
Metalurgia de polvos
y la pieza se enfría y retira del molde; 4) se procesa la pieza para remover el aglutinante mediante varias técnicas térmicas o por solvente; 5) la pieza se sinteriza, y 6) se ejecutan las operaciones
secundarias que se requieran.
El aglutinante actúa como un portador de partículas en el moldeo por inyección de polvos.
Sus funciones son aportar características apropiadas de flujo durante el moldeo y sostener los
polvos en la forma moldeada hasta el sinterizado. Los cinco tipos básicos de aglutinantes en PIM
son 1) los polímeros termofijos, como los fenólicos, 2) los polímeros termoplásticos, como el
polietileno, 3) el agua, 4) los geles, 5) los materiales inorgánicos [7]. Los tipos que se usan con
mayor frecuencia son los polímeros.
El moldeo por inyección de polvos es apropiado para formar piezas similares a las del moldeo por inyección de plásticos. Su costo no es competitivo para piezas de simetría axial simple,
ya que en estos casos es adecuado el método de prensado convencional y sinterizado. El PIM
parece más económico para pequeñas piezas complejas de alto valor. La contracción que acompaña a la densificación durante el sinterizado limita la precisión dimensional.
10.3.3
Laminado, extruido y forjado de polvos
La laminación, la extrusión y la forja son procesos volumétricos característicos del formado de
metales (capítulo 13). Se describen en este contexto de la metalurgia de polvos.
Laminación de polvos Los polvos pueden comprimirse en una operación de laminado para
formar material metálico en tiras. El proceso se dispone comúnmente para operar de manera
continua o semicontinua, como se muestra en la figura 10.12. Los polvos metálicos se compactan
entre dos rodillos para formar una tira en verde con que se alimenta directamente a un horno de
sinterizado. Después se enfría, se lamina y se vuelve a sinterizar.
La extrusión es un proceso básico de manufactura. En la extrusión de
polvos, el polvo inicial puede tener formas diferentes. En el método más popular, los polvos se
colocan al vacío en una lata de lámina metálica hermética, se calientan y se extruyen junto con el
recipiente. En otra variante, se preforman los tochos por un proceso de prensado convencional y
sinterización, y después se extruyen en caliente. Estos métodos alcanzan un alto grado de densificación en los productos de PM.
Extrusión de polvos
La forja es un proceso importante en el formado de metal (sección 13.2). En
el forjado de polvos, la parte inicial es una pieza de metalurgia de polvos preformada mediante
prensado y sinterizado al tamaño apropiado. Las ventajas de este método son: 1) la densificación
de la pieza de PM; 2) el costo de las herramientas es más bajo y se requieren pocos “golpes”
durante la forja (y por tanto mayor velocidad de producción), ya que la pieza inicial está preformada, y 3) poco desperdicio de material.
Forjado de polvos
Alimentación
(polvos)
FIGURA 10.12 Laminado de polvos: 1) se introducen los polvos a través de
los rodillos compactadores
para formar una tira en
verde, 2) sinterizado, 3)
laminado en frío y 4) resinterizado. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell
P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John
Wiley & Sons, Inc.)
Rodillos
compactadores
Horno de
sinterización
Molino
laminador
en frío
Horno de
resinterizado
Tira
terminada
Tira en
verde
v
1)
v
2)
3)
4)
10.4
10.3.4
Materiales y productos para metalurgia de polvos 221
Combinación de prensado y sinterizado
El prensado isostático caliente (sección 10.3.1) alcanza la compactación y el sinterizado en un
solo paso. Otras técnicas que combinan los dos pasos son el prensado en caliente y el sinterizado
por chispas.
Prensado en caliente La disposición de un proceso de prensado en caliente uniaxial es muy
similar al prensado de PM convencional, excepto que el calor se aplica durante la compactación.
El producto resultante es generalmente duro, denso, resistente y bien dimensionado. A pesar de
estas ventajas el proceso presenta ciertos problemas técnicos que limitan su adopción. Los principales problemas son: 1) la selección del material del molde que pueda soportar las altas temperaturas de sinterización, 2) los largos ciclos de producción que se requieren para realizar la sinterización y 3) el calentamiento y el mantenimiento de un control atmosférico en el proceso [2]. El
prensado en caliente tiene algunas aplicaciones en la producción de productos sinterizados de
carburo usando moldes de grafito.
Es una alternativa que combina el prensado y el sinterizado, pero que
supera algunos de los problemas del prensado en caliente. El proceso consiste en dos pasos básicos [2], [17]: 1) los polvos o un compactado en verde preformado se colocan en un dado, y 2) los
punzones superior e inferior, que también sirven como electrodos, comprimen la pieza aplicando
una corriente eléctrica de alta energía que al mismo tiempo quema los contaminantes de la superficie y sinteriza los polvos, y forma una pieza densa y sólida en cerca de 15 segundos. El proceso
se ha aplicado a varios metales.
Sinterizado por chispas
10.3.5
Sinterizado en fase líquida
El sinterizado convencional (sección 10.2.3) es un sinterizado en estado sólido, en el cual el metal se sinteriza a una temperatura por debajo de su punto de fusión. En los sistemas que constan
de una mezcla combinada de dos polvos metálicos, donde existe una diferencia de temperatura de
fusión entre los metales, se usa un tipo alterno de sinterización, llamado sinterizado en fase líquida. En este proceso, los dos polvos son unidos mediante un mezclado combinado inicialmente y
luego se calientan a una temperatura lo suficientemente alta para fundir el metal de más bajo
punto de fusión, pero no el otro. El metal fundido moja perfectamente las partículas sólidas,
creando una estructura densa con uniones fuertes entre los metales una vez solidificados. Un calentamiento prolongado puede generar la aleación de los metales por una disolución gradual de
las partículas sólidas en el metal líquido o la difusión del metal líquido en el sólido, dependiendo
de los metales involucrados. En cualquier caso, el producto resultante está completamente densificado (sin poros) y es fuerte. Ejemplos de sistemas que involucran sinterización en fase líquida
son: Fe-Cu, W-Cu y Cu-Co [6].
10.4 Materiales y productos para metalurgia de polvos
Las materias primas para el procesamiento en metalurgia de polvos son más costosas que para
otros trabajos en metal, debido a la energía adicional requerida para reducir el metal a polvo. Por
consiguiente, la metalurgia de polvos solamente es competitiva en ciertos tipos de aplicaciones.
En esta sección se identificarán los materiales y productos que parecen más apropiados para la
metalurgia de polvos.
Desde un punto de vista químico, los polvos metálicos se pueden clasificar en elementales y prealeados. Los polvos elementales consisten en un
metal puro y se usan en aplicaciones donde la alta pureza es importante. Por ejemplo, el hierro
puro puede usarse donde importan sus propiedades magnéticas. Los polvos elementales más comunes son de hierro, aluminio y cobre.
Materiales para la metalurgia de polvos
222 CAPÍTULO 10
Metalurgia de polvos
Los polvos elementales son unidos por mezclado combinado también con otros polvos metálicos para producir aleaciones especiales que son difíciles de formular por métodos convencionales. Los aceros herramienta son un ejemplo; la metalurgia de polvos permite el mezclado de ingredientes que son difíciles o imposibles por las técnicas tradicionales de aleación. El uso de
mezclas combinadas de polvos elementales facilita el procesamiento para formar una aleación,
aun cuando no involucre aleaciones especiales. Ya que los polvos son metales puros, no son tan
resistentes como los metales prealeados. Por tanto, se deforman más fácilmente durante el prensado, así que la densidad y la resistencia en verde son más altas que los compactados prealeados.
En los polvos prealeados, cada partícula es una aleación que tiene la composición química
deseada. Los polvos prealeados se usan cuando la aleación no puede formularse mediante el
mezclado combinado de polvos elementales; el acero inoxidable es un ejemplo importante. Los
polvos prealeados más comunes son ciertas aleaciones de cobre, acero inoxidable y acero de alta
velocidad.
Los polvos elementales y prealeados de uso más común en orden aproximado de tonelaje
son: 1) el hierro, con mucho el metal más usado en PM, unido por mezclado combinado frecuentemente con grafito para hacer piezas de acero; 2) el aluminio; 3) el cobre y sus aleaciones; 4) el
níquel; 5) el acero inoxidable; 6) el acero de alta velocidad, y 7) otros materiales de metalurgia
de polvos como el tungsteno, el molibdeno, el titanio, el estaño y los metales preciosos.
Una ventaja sustancial de la tecnología de polvos es
que las piezas se hacen en forma neta o casi neta; requieren poco o ningún formado adicional
después de procesarse en metalurgia de polvos. Algunos de los componentes comúnmente fabricados mediante metalurgia de polvos son engranes, cojinetes, piñones, sujetadores, contactos
eléctricos, herramientas de corte y varias piezas de maquinaria. La producción en grandes cantidades de engranes y cojinetes se adapta particularmente bien a la metalurgia de polvos por dos
razones: 1) tienen una forma definida principalmente en dos dimensiones (la superficie superior
tiene cierta forma y hay pocas o ninguna forma lateral) y 2) se necesita porosidad en el material
para servir como depósito de lubricantes. Mediante la metalurgia de polvos también se pueden
hacer piezas más complejas con forma tridimensional, añadiendo operaciones secundarias como
maquinado para completar la forma de las piezas prensadas y sinterizadas y observando ciertos
lineamientos de diseño, como los que se reseñan en la siguiente sección.
Productos de la metalurgia de polvos
10.5 Consideraciones de diseño en metalurgia de polvos
El uso de técnicas de la metalurgia de polvos es generalmente apropiado para cierta clase de situaciones de producción y diseño de piezas. En esta sección se intenta definir las características
de estas aplicaciones donde la metalurgia de polvos es más apropiada. Se presenta primero un
sistema de clasificación para piezas de metalurgia de polvos, y luego se ofrecen algunos lineamientos sobre el diseño de los componentes.
La Metal Powder Industries Federation (MPIF) define cuatro clases de diseño de piezas de
metalurgia de polvos, atendiendo al nivel de dificultad en el prensado convencional. El sistema es
útil porque indica alguna de las limitaciones que deben hacerse en las formas cuando se usan los
procesamientos convencionales de metalurgia de polvos. Las cuatro clases de piezas se ilustran
en la figura 10.13.
El sistema de clasificación de la MPIF suministra algunos lineamientos aplicables a la forma
de las piezas, apropiada a las técnicas de prensado convencional en metalurgia de polvos. En los
siguientes lineamientos se ofrecen sugerencias de diseño adicionales, recopiladas de [3], [13] y
[17].
• La economía de los procesamientos mediante metalurgia de polvos usualmente requiere grandes cantidades de piezas para justificar el costo del equipo y las herramientas especiales necesarias. Se sugieren cantidades mínimas de 10 000 unidades [17], aun cuando hay excepciones.
• La capacidad de fabricar piezas con un nivel controlado de porosidad es una característica
única de la metalurgia de polvos. Son posibles porosidades hasta de 50%.
10.5
Dirección
del
prensado
F
a)
Consideraciones de diseño en metalurgia de polvos 223
Dirección
del
prensado
F
F
F
c)
b)
d)
FIGURA 10.13 Cuatro clases de piezas en metalurgia de polvos (vista lateral, la sección transversal es
circular): a) clase I, formas delgadas simples que se pueden presionar (compactar) en una dirección; b)
clase II, formas simples, pero más gruesas que requieren presión en dos direcciones; c) clase III, dos niveles de espesor presionados en dos direcciones, y d) clase IV, múltiples niveles de espesor presionados en
dos direcciones, con controles separados para cada nivel a fin de lograr una densificación apropiada a
través de la compactación. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)
• La metalurgia de polvos se puede usar para hacer piezas de metales y aleaciones inusuales,
materiales que podrían ser difíciles o hasta imposibles de producir por otros medios.
• La geometría de la pieza debe permitir su remoción del dado después del prensado; esto
significa en términos generales que la pieza debe tener lados verticales o casi verticales,
aunque se pueden hacer escalonados como sugiere el sistema de clasificación de la MPIF
(figura 10.13). Deben evitarse características de diseño como muescas (socavados) y perforaciones laterales como las que se muestran en la figura 10.14. Son permisibles las muescas
(socavados) y perforaciones verticales, como las de la figura 10.15, porque no interfieren con
la remoción. Las perforaciones verticales pueden hacerse de sección transversal no redonda
(por ejemplo, cuadradas o estriadas) sin aumentar significativamente las herramientas o las
dificultades de procesamiento.
• Las cuerdas de un tornillo no se pueden fabricar en metalurgia de polvos; si se necesitan,
deben maquinarse en el componente tratado por PM después del sinterizado.
• Los chaflanes y esquinas redondeadas son posibles en el prensado de metalurgia de polvos,
como se muestra en la figura 10.16. Cuando los ángulos son muy agudos se encuentran problemas con la rigidez de los punzones.
• El espesor de la pared debe tener un mínimo de 1.5 mm (0.060 pulg) entre dos perforaciones
o entre una perforación y la pared exterior de la pieza, como se indica en la figura 10.17. El
diámetro mínimo recomendado de la perforación es de 1.5 mm (0.060 pulg).
Dirección
de prensado
F
FIGURA 10.14 Formas de las piezas
que deben evitarse en metalurgia de polvos, a) perforaciones laterales y b) muescas (socavados) laterales. La remoción de
la pieza es imposible. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a.
ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley &
Sons, Inc.)
F
Muesca
(socavado)
Perforación
lateral
a)
b)
224 CAPÍTULO 10
Metalurgia de polvos
Dirección
del prensado
F
Perforación ciega
Perforación abierta
F
F
Perforación abocardada
(escalonada)
Muesca
a)
c)
b)
FIGURA 10.15 Formas permisibles de las piezas en metalurgia de polvos: a) perforaciones (agujeros)
verticales ciegas y abiertas, b) perforaciones verticales abocardadas (escalonadas) y c) muescas (socavados) en dirección vertical. Estas formas permiten la remoción de la pieza. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley &
Sons, Inc.)
F
Dirección
de
prensado
Ángulo agudo
Dirección
de prensado
F
F
Radio de
la esquina
exterior
45° mínimo
Radio
interior
No
recomendado
a)
F
F
Preferible
Recomendable
b)
c)
45°
Radio
No
recomendado
d)
Preferible
e)
FIGURA 10.16 Se pueden lograr chaflanes y esquinas redondeadas, pero deben observarse ciertas reglas: a) evitar ángulos agudos del
chaflán, b) son preferibles ángulos mayores para la rigidez del punzonado, c) son deseables los radios interiores pequeños, d) los radios
completos en las esquinas exteriores son difíciles porque el punzonado es frágil en los bordes de las esquinas, e) los problemas en las
esquinas exteriores pueden solucionarse combinando radios y chaflanes. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de
Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)
Vista
superior
FIGURA 10.17 El espesor mínimo de
pared recomendado a) entre perforaciones o b) entre una perforación y la pared
exterior debe ser 1.5 mm (0.060 pulg).
(Crédito: Fundamentals of Modern
Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P.
Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)
Espesor mínimo
de pared
Vista de la
sección
transversal
a)
b)
Preguntas de repaso 225
Referencias
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Manufacturing Engineers Handbook, 4a. ed., vol. II, Forming. Society of Manufacturing Engineers. Dearborn, Michigan, 1984.
Preguntas de repaso
10.1. Mencione algunas razones que explican la importancia comercial de la metalurgia de polvos.
10.2. ¿Cuáles son algunas desventajas de los métodos de metalurgia de polvos?
10.3. ¿Cuáles son los principales métodos para producir polvos
metálicos?
10.4. ¿Cuáles son los tres pasos básicos de los procesos convencionales para dar forma en la metalurgia de polvos?
10.5. ¿Cuál es la diferencia técnica entre el mezclado (blending)
y el mezclado combinado (mixing) en la metalurgia de polvos?
10.6. ¿Cuáles son algunos de los ingredientes que se añaden usualmente a los polvos metálicos durante el mezclado y/o el
mezclado combinado?
10.7. ¿Qué se entiende por el término compactado en verde?
10.8. Describa lo que les pasa a las partículas individuales durante la compactación.
10.9. ¿Cuáles son los tres pasos en el ciclo de sinterizado en metalurgia de polvos?
10.10. ¿Cuáles son algunas razones por las que conviene usar hornos con atmósfera controlada en el sinterizado?
10.11. ¿Cuál es la diferencia entre la impregnación y la infiltración en la metalurgia de polvos?
10.12. ¿Cómo se distingue el prensado isostático del prensado
convencional y sinterizado en la metalurgia de polvos?
10.13. Describa el sinterizado en fase líquida.
10.14. ¿Cuáles son las dos clases básicas de polvos metálicos desde el punto de vista químico?
10.15. ¿Por qué la metalurgia de polvos es muy apropiada para la
producción de engranes y cojinetes?
226 CAPÍTULO 10
Metalurgia de polvos
Problemas
10.3. La pieza que se muestra en la figura P10.3 se va a prensar
a partir de polvos de hierro, usando una presión de compactación de 75 000 lb/pulg2. Las dimensiones están en
pulg. Determine a) la dirección más apropiada del prensado, b) el tonelaje requerido de la prensa para desempeñar
esta operación y c) el peso final de la pieza si la porosidad
es de 10%. Suponga que no es necesario considerar la contracción durante el sinterizado.
10.4. Indique a qué clase de piezas de metalurgia de polvos pertenece cada uno de los cuatro dibujos que aparecen en la
figura P10.4; indique también si la pieza debe ser prensada
en una o dos direcciones y cuántos niveles de control de
prensa se requerirán. Las dimensiones están en milímetros.
10.1. En cierta operación de prensado los polvos metálicos que
se le introducen a un molde abierto tienen un factor de empaquetamiento de 0.5. La operación de prensado reduce el
polvo a dos terceras partes de su volumen inicial. En la
operación de sinterizado posterior, la contracción asciende
a 10% sobre base volumétrica. Dado que éstos son los únicos factores que afectan la estructura de la pieza terminada,
determine su porosidad final.
10.2. Se va a prensar un cojinete de forma simple a partir de polvos
de bronce usando una presión de compactación de 207 MPa.
El diámetro exterior es de 44 mm, el diámetro interior de
22 mm y la longitud del cojinete es de 25 mm. ¿Cuál es el
tonelaje requerido de la prensa para desempeñar esta operación?
2.800
1.500
1.250
0.500
0.875
FIGURA P10.3 Pieza para el problema 10.3 (dimensiones en pulgadas). (Crédito: Fundamentals of Modern
Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010.
Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)
+
+
+
56.0
+
38.0
62.5
12.5
38.0
a)
12.5
12.5
45.0
0.875
47.5
b)
22.0
56.0
12.5
12.5
12.5
100
11.0
40.5
c)
40.5
d)
FIGURA P10.4 Piezas para el problema 10.4 (dimensiones en mm). (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de
Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)
APÉNDICE A10:
APPENDIX A10:
Características de los polvos
CHARACTERIZATION
OF
en
ingeniería
ENGINEERING POWDERS
Un polvo es un sólido dividido en partículas finas. En esta sección se presentan las características
de los polvos metálicos. Sin embargo, la revisión se aplica también a la mayoría de los polvos
A powder can be defined as a finely divided particulate solid. In this appendix we
cerámicos.
characterize metallic powders. Most of our discussion applies to ceramic powders as well.
A10.1
geométricas
A10.1 Características
GEOMETRIC FEATURES
La forma de los polvos individuales se puede definir mediante los siguientes atributos: 1) tamaño
The geometry of the individual powders can be defined by the following attributes: (1) particle
de las partículas y su distribución, 2) forma y estructura interna de las partículas y 3) área supersize and distribution, (2) particle shape and internal structure, and (3) surface area.
ficial.
Tamaño
deSize
las partículas
y su distribución
tamaño
deto
lasthe
partículas
se refiere
a lasindividdimenParticle
and Distribution
ParticleEl
size
refers
dimensions
of the
siones
de los polvos
individuales.
Si la forma
de la partícula
es esférica,
una sola
dimensiónFor
es
ual powders.
If the
particle shape
is spherical,
a single
dimension
is adequate.
adecuada.
Para otras
se necesitan
dos are
o más
dimensiones.
Se methods
dispone deare
varios
métodos
other shapes,
twoformas
or more
dimensions
needed.
Various
available
to
para
obtener
datos sobre
tamaño
las partículas.
método uses
más común
usaofcribas
de diferenobtain
particle
size el
data.
Thedemost
commonElmethod
screens
different
mesh
tessizes.
tamaños
malla.
Se usa
el término
para referirse
al número
aberturas
Thedeterm
mesh
count
is usednúmero
to referde
tomalla
the number
of openings
perdelinear
inch
porofpulgada
de lamesh
criba. count
Un número
alto indica
un menor
tamaño
partícula.
Un númescreen.lineal
Higher
indicates
smaller
particle
size.deAla mesh
count
of 200
ro means
de mallathere
de 200
significa
que hay 200
por pulgada
lineal.
Como
la malla es
are
200 openings
peraberturas
linear inch.
Since the
mesh
is square,
thecuadrada,
count is
la the
cuenta
es
la
misma
en
ambas
direcciones,
y
el
número
total
de
aberturas
por
pulgada
cuadrada
same in both directions, and the total number of openings per square inch is 2002
2 = 40 000.
es ¼
200
40,000.
Las Particles
partículas are
se separan
través dea una
serie
cribas of
de progressively
tamaños prosorted haciéndolas
by passing pasar
them athrough
series
ofde
screens
gresivamente
menores
de
malla.
Los
polvos
se
colocan
sobre
una
criba
de
un
cierto
de
smaller mesh size. The powders are placed on a screen of a certain mesh número
count and
malla
y
ésta
se
hace
vibrar
para
que
las
partículas
pequeñas
que
caben
en
las
aberturas
caigan
a
vibrated so that particles small enough to fit through the openings pass through to the
la next
siguiente
criba.
La
segunda
criba
se
vacía
en
la
tercera
y
así
sucesivamente,
de
manera
que
las
screen below. The second screen empties into a third, and so forth, so that
partículas
se seleccionen
de according
acuerdo contosusize.
tamaño.
Se puede
designar
un cierto
de
the particles
are sorted
A certain
powder
sizeamight
be tamaño
called size
polvo
230
por
200,
lo
cual
indica
que
los
polvos
han
pasado
por
la
malla
200,
pero
no
por
la
230.
230 through 200, indicating that the powders have passed through the 200 mesh, but not
Para
simplificar
la the
especificación,
se dice
que we
el tamaño
la partícula
de 200. size
El procedimien230.
To make
specification
easier,
simplydesay
that theesparticle
is 200. The
to procedure
para seleccionar
los
polvos
por
su
tamaño
se
llama
clasificación.
of separating the powders by size is called classification.
Las The
aberturas
en la in
criba
menores
que than
el recíproco
del número
de malla
al espesor
openings
theson
screen
are less
the reciprocal
of the
mesh debido
count because
of
delthe
alambre
en
la
criba,
como
se
ilustra
en
la
figura
A10.1.
Suponiendo
que
la
dimensión
thickness of the wire in the screen, as illustrated in Figure A10.1. Assuming limitanthat the
te limiting
de la partícula
es igual
la abertura
criba,tosethe
tiene
dimension
ofathe
particledeislaequal
screen opening, we have
PS ¼
1
(A10.1)
� tw (A10.1)
MC
where PS ¼ particle size, in; MC ¼ mesh count, openings per linear inch; and tw ¼
donde PS = tamaño de partícula, pulg; MC = número de malla, aberturas por pulgada lineal, y
wire thickness of screen mesh, in. The figure shows how smaller particles would pass
tw = grueso del alambre de la malla, pulg. La figura muestra cómo pasarían las partículas pequethrough the openings, while larger powders would not. Variations occur in the
ñas a través de las aberturas, mientras que las grandes se quedarían retenidas. Las variaciones que
powder sizes sorted by screening due to differences in particle shapes, the range of
ocurren en la selección de tamaños de partículas mediante cribado se deben a las diferencias en
sizes between mesh count steps, and variations in screen openings within a given
la forma de las partículas, al rango de tamaños entre los números sucesivos de malla y a las vamesh count. Also, the screening method has a practical upper limit of MC ¼ 400
riaciones de tamaños de las aberturas dentro de un número dado de malla. Además, el método de
(approximately), due to the difficulty in making such fine screens and because of
cribado tiene un límite práctico superior de MC = 400 (aproximadamente) debido a la dificultad
agglomeration of the small powders. Other methods to measure particle size include
para hacer mallas tan finas y a la aglomeración de los polvos tan finos. Otros métodos para medir
microscopy and X-ray techniques.
el tamaño de las partículas consideran microscopia y técnicas de rayos X.
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228 CAPÍTULO 10
FIGURE A10.1
Metalurgia de polvos
Screen
FIGURA
A10.1
de
mesh forA10.1
sortingMalla
particle
FIGURE
Screen
criba
para
seleccionar
tamasizes.
(Credit:
mesh
for
sorting particle
ños
de partícula.
Fundamentals
of Modern
sizes.
(Credit: (Crédito:
th
Fundamentals
of Modern
Manufacturing,
Fundamentals
of4Modern
th de
Manufacturing,
4a.
ed.,
Edition by Mikell4 P.
Manufacturing,
Mikell
P. Groover,
2010.
Groover,
Edition
by2010.
MikellReprinted
P.
Reimpreso
con
autorización
with permission
of
Groover,
2010. Reprinted
de John Wiley & Sons, Inc.)
Section A10.1/Geometric Features
Section A10.1/Geometric Features
Tamaño de partícula que
no pasa a través de la malla
Tamaño de partícula que
sí pasa a través de la malla
tw
Johnpermission
Wiley & Sons,
with
of Inc.)
John Wiley & Sons, Inc.)
FIGURE A10.2 Several
of the possible
FIGURE
A10.2 (ideal)
Several
FIGURA
A10.2
Varias
particle
shapes(ideal)
in
of
the possible
formas
posibles
(ideales)
de
powder
metallurgy.
particle
shapes
in
partícula
metalurgia de of
(Credit: en
Fundamentals
powder
metallurgy.
polvos.
(Crédito:
Funda- of
Modern
Manufacturing,
(Credit:
Fundamentals
th
mentals
of
Modern
Manu4 Edition
by Mikell
P.
Modern
Manufacturing,
facturing,
4a.
ed.,
de
Mikell
th
Reprinted
4Groover,
Edition2010.
by Mikell
P.
P. Groover, 2010. Reimprewith permission
of
Groover,
2010. Reprinted
so con autorización de John
Johnpermission
Wiley & Sons,
Inc.)
with
of
Wiley & Sons, Inc.)
John Wiley & Sons, Inc.)
Esférica
Acicular
235
235
PS
Redondeada
Hojuela
1
MC
Esponjosa
Cilíndrica
Cúbica
Agregada
Typical particle sizes used in conventional powder metallurgy (press and sinter)
1
The high
end
of
thissinter)
range
range
between
25 and
300
mmin(0.001
0.012
in).
LosTypical
tamaños
típicos
desizes
las
partículas
que seand
utilizan
en la
metalurgia
de polvos
convencional
particle
used
conventional
powder
metallurgy
(press
and
1
1 range
corresponds
to a25mesh
count
of25around
65.
The
endThe
of
the
isoftoo
to
(presión
ybetween
sinterizado)
varían
entre
y 300 µand
m (0.001
yin).
0.012
pulg).
Enend
el extremo
alto
de
high
thissmall
range
range
and
300
mm
(0.001
0.012low
berango
measured
count
method.
este
corresponde
amesh
uncount
número
malla de
otro extremo
es muy
corresponds
tobya the
mesh
of de
around
65.aproximadamente
The low end of 65.
theElrange
is too small
to
pequeño
para poderse
el método de número de malla.
be measured
by themedir
meshmediante
count method.
Particle Shape and Internal Structure Metal powder shapes can be cataloged into
Forma y estructura interna de las partículas La forma de los polvos metálicos puede catalovarious types,
of which Structure
are illustrated
in Figure
A10.2.
There
a variation
in
Particle
Shapeseveral
and Internal
Metal
powder
shapes
canwill
bebe
cataloged
into
garse en varios tipos, algunos de ellos se ilustran en la figura A10.2. Existen variaciones tanto en
the particle
shapes
in of
a collection
powders,injust
as the
particle
sizewill
willbevary.
A simple
various
types,
several
which are of
illustrated
Figure
A10.2.
There
a variation
in
la forma de las partículas de una colección de polvos como en sus tamaños. Una forma simple y
andparticle
useful measure
shape is the
aspect ratio—the
of maximum
dimension
to
the
shapes inof
a collection
of powders,
just as theratio
particle
size will vary.
A simple
útil de medir la forma es la razón del aspecto: la relación de la dimensión máxima y la mínima de
minimum
dimension
forshape
a given
particle.
The
aspect ratio
for
amaximum
spherical particle
is 1.0,
and
useful
measure
of
is
the
aspect
ratio—the
ratio
of
dimension
to
una partícula dada. La razón del aspecto para una partícula esférica es 1.0; sin embargo, para un
but for an dimension
acicular grain
ratioparticle.
might beThe
2 toaspect
4. Microscopic
are
required
to
minimum
for2the
aagiven
ratio for techniques
apara
spherical
particle
is 1.0,
grano
acicular puede ser de
4. Se requieren
técnicas
microscópicas
determinar
las caracdetermine
shape characteristics.
but
for
an
acicular
grain
the
ratio
might
be
2
to
4.
Microscopic
techniques
are
required
to
terísticas de la forma.
Any volumecharacteristics.
of loose powders will contain pores between the particles. These are
determine
Cualquiershape
volumen de polvos sueltos contendrá poros entre las partículas. Éstos se llaman
called
open
pores
because
they
to
the
individual
particles.
Open
pores
are
Any
volume
of
loose
powders
will contain
pores
between
the abiertos
particles.
are
poros abiertos, porque son
externos
aare
las external
partículas
individuales.
Los poros
sonThese
espacios
spaces
into
which
a
fluid
such
as
water,
oil,
or
a
molten
metal,
can
penetrate.
In
addition,
called
open
pores
because
they
are
external
to
the
individual
particles.
Open
pores
are
dentro de los cuales puede penetrar un fluido como agua, aceite o un metal fundido. Además hay
there
are
voids
the
structure
of
an
particle.
The
spaces
intoclosed
which
apores—internal
fluid
suchinternos
as water,
or
a molten
metal,
canindividual
penetrate.
In
poros
cerrados,
que son
huecos
en oil,
lain
estructura
de una
partícula
individual.
Laaddition,
existenexistence
of
these
internal
pores
is
usually
minimal,
and
their
effect
when
they
do
exist
there
are
closed
pores—internal
voids
in
the
structure
of
an
individual
particle.
The
cia de estos poros internos generalmente es mínima, y sus efectos, cuando existen, son menores;is
minor,
but
can
influence
density
as
weverá
shall
see
later.
ofthey
theseinfluir
internal
pores
is usually
their
effect
when
they do exist is
noexistence
obstante
pueden
en las
medidas
demeasurements,
la minimal,
densidad, and
como
se
posteriormente.
minor, but they can influence density measurements, as we shall see later.
Área
superficial
forma
de la partícula
una esfera
perfecta,
su área
y
Surface
Area Suponiendo
Assuming que
thatlathe
particle
shape is sea
a perfect
sphere,
its area
A Aand
suSurface
volumenV
V
están
dados
por:
volume
are
given
by
Area Assuming that the particle shape is a perfect sphere, its area A and
volume V are given by
A ¼ pD2 (A10.2)
(A10.2)
(A10.2)
A ¼ pD23
pD
V¼
(A10.3)
3
pD
6
(A10.3)
V¼
(A10.3)
6
1
These values are provided by Prof. Wojciech Misiolek, my colleague in Lehigh’s Department of
Science
Engineering.
Powder
metallurgy
is one
his research
areas. Department of
These values
areand
provided
by Prof.
Wojciech
Misiolek,
myofcolleague
in Lehigh’s
1 Estos valores son proporcionados por el profesor Wojciech Misiolek, mi colega en el Department of Materials Science
Materials Science and Engineering. Powder metallurgy is one of his research areas.
1Materials
and Engineering de la Universidad de Lehigh. La metalurgia de polvos es una de sus principales áreas de investigación.
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A10.2
Chapter
Chapter
236
10/Powder
10/Powder
Chapter
Metallurgy
Metallurgy
10/Powder Metallurgy
Otras características 229
where
where
DDdiámetro
¼¼diameter
diameter
where
D
the
the
¼ spherical
diameter
spherical
particle,
of
particle,
the
mm
mm(in).
(in).
particle,
The
Thearea-to-volume
area-to-volume
mm
(in).
The area-to-volume
ratio
ratio
A/V
A/V
for
for ratio A/V for
donde
D=
de laofof
partícula
esférica,
mmspherical
(pulg).
La
relación
de área
a volumen
A/V
para
aaesfera
sphere
sphere
then
then
agiven
sphere
given
by
by
is then
una
seisis
determina
entonces
por: given by
A 6
AA 66
¼
(A10.4)
(A10.4)
¼¼ (A10.4)
V D
VV DD
(A10.4)
In
general,
thearea-to-volume
In
area-to-volume
general,
area-to-volume
ratiocan
can
beexpressed
expressed
ratio can
for
beany
any
expressed
particle
for
shape—spherical
any
particle shape—spherica
general,
ratio
be
for
particle
shape—spherical
EnIn
general,
la the
relación
de área the
a volumen
puede
expresarse
para
cualquier
forma
de partícula,
ornonspherical—as
nonspherical—as
or como
nonspherical—as
follows:
follows:
or
follows:
esférica
o no esférica,
sigue:
AD
AD
A AD
K
AA KKs s
s
or
or
or Ks ¼
¼ (A10.5)
(A10.5)
(A10.5)
¼
¼¼
o KKs s¼
D
VV
V
V
VV DD
(A10.5)
where
where
where
Kys D
¼shape
shape
factor;
factor;
¼Den
shape
ininel
the
the
factor;
general
general
Dcase
case
in=the
¼¼the
general
thediameter
diameter
of
¼ofthe
aasphere
sphere
diameter
ofofequivalent
equivalent
ofequivaa sphere of equivalent
donde
Ks K
=Ksfactor
de
forma
caso
general
diámetro
de case
una esfera
de
volumen
s¼
¼
¼
6.0
6.0
for
for
a
a
sphere.
sphere.
¼
6.0
For
For
for
particle
particle
a sphere. For particle
volume
volume
asasthe
the
nonspherical
nonspherical
volume
as the
particle,
particle,
nonspherical
mm
mm(in).
(in).
particle,
Thus,
Thus,
mm
K
(in).
Thus,
K
lente
al de una
partícula
no esférica,
mm (pulg).
Entonces
KK
=
6.0
para
una
esfera.
Para
formas
s
s ss
>6.
>6.
shapesother
other
than
than
shapes
spherical,
other K
than
KsKs>6.
spherical,
K
deshapes
partícula
diferentes
aspherical,
la esférica,
>
6.
s
s
We
Wecan
caninfer
inferthe
the
following
following
caninferir
infer
from
from
the
these
following
theseequations.
equations.
from
these
Smaller
Smaller
equations.
particle
particle
Smaller
size
sizeand
and
higher
higher
De estas
ecuaciones
seWe
puede
lo siguiente.
Entre
más
pequeño
sea el tamaño
departicle
la
par- size and higher
)de
)
mean
mean
higher
higher
surface
surface
)
mean
area
area
higher
for
for
surface
the
the
same
same
area
total
total
for
weight
weight
the
same
of
of
metal
total
metal
weight
powders.
powders.
of metal powders
shape
shape
factor
factor
(K
(Ksshape
factor
(K
tícula
y los
factores
forma
sean
más
altos
(K
)
el
área
superficial
será
más
alta
para
el
mismo
s
s
s
This
This
means
means
greater
greater
This
area
means
areafor
forgreater
surface
surface
area
oxidation
oxidation
surface
totoárea
occur.
occur.
oxidation
Small
Small
to
powder
powder
occur.
size
Small
also
also
powder
leads
leads
size also leads to
peso
total
de polvo
metálico.
Esto
significa
unafor
mayor
donde
puede
ocurrirsize
la oxidación.
Eltoto
more
moremás
agglomeration
agglomeration
more
of
agglomeration
ofthe
the
particles,
particles,
ofwhich
which
theaparticles,
isisaamayor
problem
problem
which
ininisautomatic
automatic
a problem
feeding
in automatic
ofofthe
the feeding of the
tamaño
pequeño
del polvo
también
conduce
una
aglomeración
de lasfeeding
partículas,
lo
powders.
powders.
The
Thereason
reason
powders.
for
using
The
using
reason
smaller
smaller
forparticle
particle
using
smaller
sizes
sizes
isisparticle
that
that
they
sizes
provide
provide
isusar
that
more
more
theyuniform
uniform
provide
cual
es una desventaja
parafor
el llenado
automático
con los
polvos.
La they
razón
para
tamaños
más more uniform
shrinkage
shrinkage
and
andbetter
shrinkage
better
mechanical
and better
properties
properties
mechanical
ininthe
the
properties
final
final
PMin
product.
product.
they final
PMpropiedades
product.
pequeños
de partículas
es mechanical
que
suministran
una
contracción
más PM
uniforme
mejores
mecánicas en los productos finales de la PM.
A10.2
A10.2 OTHER
OTHER
A10.2 FEATURES
FEATURES
OTHER FEATURES
A10.2
Otras características
Other
Otherfeatures
featuresof
Other
ofengineering
engineering
featurespowders
of
powders
engineering
include
include
powders
interparticle
interparticle
include
friction,
friction,
interparticle
flow
flowcharacteristics,
characteristics,
friction, flow characteristics
Otras
características
de
los polvos
en ingeniería
incluyen
fricción
interparticular,
packing,
packing,
density,
density,
packing,
porosity,
porosity,
density,
chemistry,
chemistry,
porosity,
and
andsurface
chemistry,
surfacefilms.
films.
and surface
films. características
de flujo, compactado, densidad, porosidad, composición química y películas superficiales.
Interparticle
Interparticle
Friction
Friction
Interparticle
andFlow
Flow
Friction
Characteristics
Characteristics
and
Flow
Friction
Friction
between
between
Friction
particles
particles
between
affects
affects
particles
the
the
affects the
Fricción
interparticular
y and
características
de
flujo
LaCharacteristics
fricción
entre
las partículas
afecta
la disability
abilitydel
ofofpolvo
aapowder
powder
flow
of
flow
a readily
powder
readily
and
flow
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FIGUREA10.3
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Modern
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Manufacturing,
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4ththEdition
4th Edition
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P.P.Groover,
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2010.
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P. maGroover, 2010.
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fricción
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(Crédito:
Fundamentals
Reprintedwith
withpermission
permission
Reprinted with
ofof permission of
of John
Modern
Manufacturing,
4a.
ed.,&deSons,
MikellInc.)
P.
JohnWiley
Wiley
&&Sons,
Sons,
John
Inc.)
Inc.)
Wiley
Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John
Wiley & Sons, Inc.)
Ángulo de reposo
Embudo
Pila de polvos
230 CAPÍTULO 10
Metalurgia de polvos
querido para que una cierta cantidad de polvo (en peso) fluya a través de un embudo de tamaño
estándar. Los tiempos menores de flujo indican mayor facilidad de flujo y menor fricción interparticular. Para reducir la fricción interparticular y facilitar el flujo durante el prensado, frecuentemente se añaden pequeñas cantidades de lubricantes a los polvos.
Empaquetamiento, densidad y porosidad Las características de empaquetamiento (compacta-
do) dependen de dos medidas de densidad. Primero, la densidad real, que es la densidad del volumen verdadero del material. Ésta es la densidad del material cuando los polvos se funden en una
masa sólida, cuyos valores se dan en la tabla 3.10. Segundo, la densidad volumétrica es la densidad de los polvos en el estado suelto después de vaciado, la cual incluye el efecto de los poros
entre las partículas. Debido a los poros, la densidad volumétrica es menor que la densidad real.
El factor de empaquetamiento es la densidad volumétrica dividida entre la densidad real.
Los valores típicos para los polvos sueltos fluctúan entre 0.5 y 0.7. El factor de empaquetamiento
depende de la forma y de la distribución de los tamaños de la partícula. Si están presentes polvos
de varios tamaños, los polvos más finos se ajustarán entre los intersticios de los grandes, que de
otra manera podrían ser tomados por el aire, lo que daría por resultado un factor de empaquetamiento más alto. Éste puede aumentarse también vibrando los polvos, lo cual ocasiona que se
asienten más firmemente. Por último, se debe observar que la presión externa que se aplica durante la compactación, incrementa en gran medida el empaquetamiento de los polvos a través del
rearreglo y deformación de las partículas.
La porosidad representa un camino alterno para considerar las características de empaquetamiento de un polvo. La porosidad se define como la relación del volumen de los poros (espacios
vacíos) en el polvo, respecto al volumen volumétrico. En principio,
Porosidad + factor de empaquetamiento = 1.0(A10.6)
Este asunto se complica por la posible existencia de poros cerrados en algunas de las partículas.
Si el volumen interno de estos poros se incluye en la porosidad, entonces la ecuación es exacta.
Composición química y películas superficiales La caracterización del polvo no sería com-
pleta sin una identificación de su composición química. Los polvos metálicos se clasifican como
elementales, esto significa que consisten en un metal puro o prealeado, en donde cada partícula
es una aleación. Estas clases y los metales que se usan comúnmente en la PM se revisaron más
detenidamente en la sección 10.4.
Las películas superficiales son un problema en la metalurgia de polvos debido a la gran área
por unidad de peso del metal cuando se trata con polvos. Las posibles películas incluyen óxidos,
sílice, materiales orgánicos adsorbidos y humedad [6]. Por lo general, estas películas deben removerse antes de procesar la forma.
11
Procesamiento de
cerámicos y cermets
CONTENIDO DEL CAPÍTULO
11.1
11.2
Procesamiento de cerámicos tradicionales
11.1.1 Preparación de las materias primas
11.1.2 Procesos para dar forma
11.1.3 Secado
11.1.4 Cocimiento (sinterizado)
Procesamiento de cerámicos nuevos
11.2.1 Preparación de materiales iniciales
11.2.2 Formado
11.3
11.2.3 Sinterizado
11.2.4 Acabado
Procesamiento de cermets
11.3.1 Carburos cementados
11.3.2 Otros cermets y compósitos de matriz
de cerámico
11.4
Consideraciones para el diseño de productos
Los materiales cerámicos se dividen en tres categorías (véase la sección 2.2): 1) cerámicos tradicionales, 2) nuevos productos cerámicos y 3) vidrios. El procesamiento del vidrio involucra principalmente solidificación y se estudió en el capítulo 7. En este capítulo se considerarán los métodos de procesamiento particulado que se usan para los cerámicos nuevos y los tradicionales.
También se estudiarán el procesamiento de los materiales compósitos con matriz metálica y con
matriz de material cerámico.
Los materiales cerámicos tradicionales se hacen a partir de minerales que se encuentran en
la naturaleza e incluyen alfarería, porcelana, ladrillos y cemento. Los nuevos cerámicos se hacen
a partir de materias primas producidas sintéticamente y cubren un amplio espectro de productos
como herramientas de corte, huesos artificiales, combustibles nucleares y sustratos de circuitos
electrónicos. El material inicial para ambas categorías es polvo. En el caso de los cerámicos tradicionales, los polvos se mezclan usualmente con agua para aglutinar temporalmente las partículas y lograr una consistencia adecuada para darles forma. En los nuevos cerámicos se usan otras
sustancias aglutinantes durante el proceso para darles forma. Las piezas en verde se sinterizan
después de ser formadas. En el procesamiento de materiales cerámicos esto se llama cocimiento,
pero su función es la misma que en metalurgia de polvos: efectuar una reacción de estado sólido
que una los materiales en una masa sólida y dura.
Los métodos de procesamiento que se revisarán en este capítulo son importantes tecnológica
y comercialmente porque en la práctica todos los productos cerámicos son formados por estos
métodos (excepto, por supuesto, los productos de vidrio). La secuencia de manufactura es muy
similar entre los materiales cerámicos tradicionales y los nuevos cerámicos debido a que la forma
del material inicial es la misma: polvo. Sin embargo, los métodos de procesamiento para las dos
categorías son bastante diferentes, por lo que se analizarán en forma individual.
11.1
Procesamiento de cerámicos tradicionales
En esta sección se revisará la tecnología de producción de cerámicos tradicionales, como alfarería, gres y otras lozas de mesa, ladrillos, azulejos y cerámica refractaria. Las piedras abrasivas se
232 CAPÍTULO 11 Procesamiento de cerámicos y cermets
a)
1) Preparación de polvos
Polvos sueltos
2) Dar forma o geometría
al barro húmedo
Arcilla y agua
3) Secado
Arcilla seca
4) Cocido
Arcilla cocida
b)
Poros
de aire
Aire
Agua
FIGURA 11.1 Pasos usuales en el procesamiento tradicional de los cerámicos: 1) preparación de materias primas, 2) dar la forma o geometría, 3) secado y 4) cocimiento. El inciso a) muestra la pieza de trabajo durante la secuencia, mientras que el inciso b) muestra la condición de los polvos. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización
de John Wiley & Sons, Inc.)
producen también por los mismos métodos básicos. Lo que estos productos tienen en común es
que sus materias primas consisten en silicatos cerámicos (arcillas). La secuencia de procesamiento de la mayoría de los cerámicos tradicionales incluye los pasos ilustrados en la figura 11.1.
11.1.1
Preparación de las materias primas
Los procesos para dar la forma o geometría a los productos cerámicos tradicionales requieren que
el material inicial tenga la forma de una pasta plástica, compuesta de finos polvos cerámicos
mezclados con agua; su consistencia determina la facilidad para formar el material y la calidad
del producto final. Las materias primas de los materiales cerámicos se encuentran generalmente
en la naturaleza como terrones rocosos, y su reducción a polvo es el propósito del paso de preparación en el procesamiento de los cerámicos.
Las técnicas para reducir el tamaño de las partículas en el procesamiento de los materiales cerámicos implican el uso de la energía mecánica en varias formas, como impacto, compresión y
desgaste por fricción. El término pulverización se usa para estas técnicas, las cuales son más efectivas en materiales frágiles, incluyendo el cemento, las menas metálicas y los metales frágiles. Se
distinguen dos tipos generales de operaciones de pulverización: el triturado y la molienda.
El triturado se refiere a la reducción de grandes trozos o terrones provenientes de la mina en
tamaños más pequeños para su reducción posterior. Se pueden requerir varias etapas (por ejemplo, triturado primario y triturado secundario), y la relación de reducción en cada etapa puede ser
del orden de 3 a 6. El triturado de minerales se realiza por compresión contra superficies rígidas
o por impacto contra superficies rígidas con movimiento restringido [1]. El equipo que se usa
para realizar el triturado es de varios tipos. En la figura 11.2 se muestran algunos equipos utilizados para llevarlo a cabo: a) trituradores de quijadas, en los cuales una quijada grande se mueve
hacia delante y hacia atrás para triturar los terrones contra una superficie dura y rígida; b) trituradores giratorios, que usan un cono giratorio para comprimir los trozos contra una superficie dura
y rígida; c) trituradores de rodillos, en los cuales los trozos de material cerámico se aprietan o
comprimen entre tambores rotatorios, y d) molinos de martillos que usan martillos rotatorios
para golpear el material y romper los trozos.
La molienda, en este contexto, se refiere a la operación de reducir las piezas pequeñas producidas por el triturado a polvos finos. La molienda se realiza por abrasión e impacto del mineral
triturado por el libre movimiento de un medio duro y suelto como bolas, piedras o barras [1]. En
11.1
Procesamiento de cerámicos tradicionales 233
Junta de bola y cuenca
Soporte superior
Quijada basculante
Cono triturador giratorio
Quijada
fija
Anillo
triturador
cónico
Excéntrico
Excéntrico
Flecha o eje motriz
Mecanismo de articulación doble
b)
a)
Alimentación
Alimentación
Quijadas
Rodillos
c)
d)
FIGURA 11.2 Operaciones de trituración: a) triturador de quijadas, b) triturador giratorio, c) triturador
de rodillos y d) molino de martillos. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell
P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)
Material
Contenedor
Rodillos de molino
Aire
Contenedor
Material
Bolas
Mesa giratoria
Rodillos
direccionales
Flecha o eje motriz
a)
b)
c)
FIGURA 11.3 Métodos mecánicos para producir polvos cerámicos: a) molino de bolas, b) molino de rodillos y c)
molienda por impacto. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)
234 CAPÍTULO 11 Procesamiento de cerámicos y cermets
la figura 11.3 se ilustran algunos ejemplos de molienda: a) molino de bolas, b) molino de rodillos
y c) molienda por impacto.
Un molino de bolas contiene esferas duras mezcladas con el material a pulverizar, que giran
dentro de un recipiente cilíndrico grande. El movimiento giratorio arrastra las bolas y el material
hacia arriba en la pared del recipiente y los hace caer para realizar la molienda por una combinación de impacto y el desgaste por fricción. Estas operaciones frecuentemente añaden agua a la
mezcla de manera que se forme una pasta aguada. En un molino de rodillos, el material se comprime contra la mesa horizontal del molino mediante rodillos que giran sobre la superficie de la
mesa. Aunque no se muestra claramente en el diagrama, la presión de los rodillos sobre la mesa
se regula por resortes mecánicos o medios hidroneumáticos. En la molienda por impacto, que
parece usarse con menor frecuencia, las partículas del material se proyectan contra una superficie
plana dura, ya sea por corriente de aire a alta velocidad o mediante un chorro de una pasta muy
fluida a alta velocidad. El impacto fractura las piezas en partículas más pequeñas.
La pasta plástica requerida para dar la forma consiste en polvos cerámicos y agua. La arcilla
es el ingrediente principal de la pasta ya que tiene características ideales de formado. Mientras
más agua tenga la mezcla, la arcilla será más plástica y fácil de formar. Sin embargo, cuando es
secada y cocida la pieza formada, se presenta la contracción que puede causar grietas en el producto. Para evitar este problema se añaden a la pasta otras materias primas de material cerámico
que no se contraen durante el secado y el proceso de cocimiento, con frecuencia en cantidades
significativas. También se pueden añadir otros componentes que tienen funciones especiales. De
esta manera los ingredientes de la pasta cerámica se pueden dividir en las siguientes tres categorías [3]: 1) arcilla, que proporciona la consistencia y plasticidad requeridas para dar la forma; 2)
materias primas no plásticas, como alúmina y sílice, que no se contraen durante el secado y el
cocido, pero desafortunadamente reducen la plasticidad en la mezcla durante el formado, y 3)
otros ingredientes, como fundentes, que funden (vitrifican) durante el cocimiento y promueven el
sinterizado del material cerámico y agentes humectantes que mejoran la mezcla y combinado de
los ingredientes.
Estos ingredientes se mezclan (combinan) perfectamente por vía húmeda o seca. Además de
su función de molienda, el molino de bolas sirve para este propósito. También deben ajustarse las
cantidades apropiadas de polvo y agua en la pasta, de manera que se pueda aumentar o disminuir
la humedad, dependiendo de la condición anterior de la pasta y de la consistencia final deseada.
11.1.2
Procesos para dar forma
Las proporciones óptimas de polvo y agua dependen del proceso utilizado para dar la forma.
Algunos procesos para dar forma requieren alta fluidez; otros actúan sobre una composición que
tiene bajo contenido de agua. Con cerca de 50% de agua, la mezcla es una pasta aguada que fluye
como un líquido. Al reducirse el contenido de agua, se hace necesario aumentar la presión sobre
la pasta para producir un flujo similar. Por tanto, los procesos para dar forma pueden dividirse con
base en la consistencia de la mezcla: 1) fundición o vaciado deslizante, en la cual la mezcla es
ligera con un 25 a 40% de agua; 2) métodos de formado plástico, con los cuales se da la forma y
geometría a la arcilla en condición plástica con 15 a 25% de agua; 3) prensado semiseco, en el
cual la arcilla está húmeda (10 a 15% de agua), pero posee baja plasticidad, y 4) prensado seco,
en el cual la arcilla está básicamente seca, contiene menos de 5% de agua. La arcilla seca no
tiene plasticidad. Cada categoría incluye varios procesos diferentes de formado.
Fundición o vaciado deslizante En este método se vacía una suspensión de polvos cerámicos
en agua, llamada pasta líquida, dentro de un molde poroso de yeso (CaSO4–2H2O) donde el yeso
absorbe el agua de la mezcla de manera gradual y se forma una capa de arcilla firme en la superficie del molde. La composición de la pasta líquida es típicamente de 25 a 40% de agua, y el remanente es arcilla mezclada de manera frecuente con otros ingredientes. Debe ser lo suficientemente
fluida para penetrar en los resquicios de la cavidad del molde, pero también es conveniente que el
contenido de agua sea bajo para lograr mayores tasas de producción. El vaciado deslizante tiene
dos variantes principales: 1) vaciado drenado y 2) vaciado sólido. En el vaciado drenado, que es
el proceso tradicional, el molde se invierte para drenar el exceso de pasta líquida después de que
11.1
Pasta líquida
Procesamiento de cerámicos tradicionales 235
Molde de yeso
1)
2)
3)
4)
FIGURA 11.4 Secuencia de los pasos en el vaciado drenado, una forma de vaciado deslizante: 1) se
vacía la pasta líquida en la cavidad del molde, 2) el agua es absorbida por el molde de yeso para formar
una capa firme, 3) el exceso de pasta líquida se vacía afuera y 4) se retira la parte del molde y se recorta.
(Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con
autorización de John Wiley & Sons, Inc.)
se ha generado la forma de la capa semisólida, dejando así una parte hueca en el molde; éste se
abre después y se remueve la parte. La secuencia es muy similar a la fundición hueca de metales y
se ilustra en la figura 11.4. Ésta se usa para hacer jarras de té, vasos, objetos de arte y otros productos huecos. En el vaciado sólido, que se usa para producir productos sólidos, se da el tiempo suficiente para que el cuerpo entero se vuelva firme. El molde debe llenarse periódicamente con pasta
líquida adicional para compensar la contracción debida a la absorción de agua.
Formado plástico Esta categoría incluye varios métodos manuales y mecanizados. Todos ellos
requieren que la mezcla inicial tenga consistencia plástica, lo cual se logra generalmente con un
contenido de agua de 15 a 25%. Para los métodos manuales se usan generalmente arcillas en el
límite superior del rango, que constituyen un material más fácil de formar; sin embargo, esto
viene acompañado de mayor contracción en el secado. Los métodos mecanizados emplean por lo
general mezclas que se combinan con menor contenido de agua y por tanto la arcilla inicial es
más espesa.
Aunque los métodos manuales de formado se remontan a miles de años atrás, actualmente
los siguen usando hábiles artesanos ya sea para producción o para obras de arte. El modelado a
mano involucra la creación del producto cerámico por manipulación de la masa de arcilla plástica a fin de darle la forma deseada. Además de las piezas de arte, se hacen por este método los
modelos para los moldes de yeso en el vaciado deslizante. El vaciado o moldeado a mano es un
método similar, pero se utiliza un molde o forma para determinar las partes de la configuración
geométrica. El torneado a mano sobre un torno de alfarero es otro refinamiento de los métodos
artesanales. El torno de alfarero es una mesa redonda que gira en un eje vertical accionada por
un motor o por un pedal. Los productos cerámicos de sección transversal circular pueden formarse en el torno de alfarero usando algunas veces un molde que proporciona la forma interna.
Estrictamente hablando, el uso del torno de alfarero accionado con motor es un método mecanizado. Sin embargo, la mayoría de los métodos mecanizados de formación de arcilla se caracterizan por mucha menor participación manual que el método de torneado manual descrito. Estos
métodos más mecanizados incluyen el torneado ligero, el prensado plástico y la extrusión. El
torneado ligero es una extensión del método del alfarero, en el cual el modelado a mano se reemplaza por técnicas mecanizadas. Se usa para producir grandes cantidades de artículos idénticos
como platos y tazones para uso doméstico. Aunque hay variantes en las herramientas y métodos
usados, con diferentes niveles de automatización y refinamiento de los procesos básicos, en la
figura 11.5 se describe la secuencia típica: 1) una masa de arcilla húmeda se coloca en un molde
convexo; 2) una herramienta de formado presiona contra la masa para generar la forma inicial
236 CAPÍTULO 11 Procesamiento de cerámicos y cermets
Formador de
v, F
la tejuela
F
Masa de arcilla
Molde
de yeso
Plantilla
Tejuela
1)
2)
3)
FIGURA 11.5 Secuencia del torneado ligero: 1) una masa de arcilla húmeda se coloca en un molde convexo, 2) tejuelado y 3) una plantilla imparte la forma final al producto. Los símbolos v y F indican movimiento (v = velocidad) y fuerza aplicada, respectivamente. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)
aproximada. La operación se llama tejuelado y la pieza de trabajo creada se llama tejuela, y 3)
una herramienta plantilladora calentada imparte el contorno final en la superficie durante la rotación de la pieza de trabajo. La razón para calentar la herramienta es producir vapor de la arcilla
húmeda, lo cual evita la adherencia. Estrechamente relacionado con el torneado ligero, es el
moldeo al torno con estirado, por medio del cual la forma del molde básico es cóncava en vez de
convexa [8]. En ambos procesos se usa algunas veces, en lugar de la plantilla, una herramienta
rodante que forma la arcilla por rodamiento, evitando la necesidad de tejuelear el pedazo inicial.
El prensado plástico es un proceso de formado en el cual la masa de arcilla plástica se prensa entre un molde inferior y otro superior contenidos en un arillo metálico. Los moldes se hacen
de un material poroso como yeso; así, al aplicar vacío detrás de los moldes se remueve la humedad de la arcilla. Las secciones del molde se abren entonces, usando presión de aire positiva para
prevenir la adherencia de la pieza en el molde. El prensado plástico alcanza producciones más
altas que el torneado y no se limita a piezas de simetría radial.
La extrusión se usa en el procesamiento cerámico para producir secciones largas de sección
transversal uniforme que se cortan a la longitud de la pieza requerida. El equipo de extrusión utiliza una acción tipo tornillo que ayuda a mezclar la arcilla y a empujar el material plástico a través
de la abertura del dado o troquel. Esta secuencia de producción se usa ampliamente para hacer tabiques huecos, losetas, tubos de drenado, tubería en general y aislantes. Se usa también para hacer
pedazos de barro inicial para otros procesos cerámicos como torneado ligero y prensado plástico.
Prensado semiseco En el prensado semiseco las proporciones de agua en la arcilla inicial
están típicamente en el rango de 10 a 15%. Esta proporción produce una baja plasticidad que
impide el uso de métodos de formado plástico, los cuales requieren una arcilla con mayor plasticidad. Los procesos semisecos usan alta presión para superar la baja plasticidad del material y
forzarlo a fluir al interior de la cavidad de un dado o troquel. Con frecuencia se forma rebaba
debido al exceso de barro que se introduce entre las secciones del dado.
Prensado seco La diferencia principal entre el prensado semiseco y el prensado seco es el con-
tenido de humedad del material inicial. El contenido de humedad de la arcilla inicial en el prensado seco está típicamente por debajo de 5%. Generalmente se agregan aglutinantes a la mezcla
de polvos para proporcionar suficiente resistencia a la pieza prensada para su manejo subsiguiente. También se añaden lubricantes para prevenir que la pieza se pegue al dado durante el prensado
y la expulsión. Debido a que la arcilla seca no tiene plasticidad y es muy abrasiva, el diseño del
dado o troquel y los procedimientos de operación son diferentes al prensado semiseco. Los dados
se hacen de acero grado herramienta endurecido o carburo de tungsteno cementado para reducir
el desgaste. Como la arcilla seca no fluye durante el prensado, la forma de la pieza es relativamente simple, por lo que se debe agregar y distribuir en el dado o troquel la cantidad correcta de
polvo inicial.
11.1
Procesamiento de cerámicos tradicionales 237
FIGURA 11.6 Volumen de la arcilla como una función del contenido de agua. La relación que se muestra aquí es típica; varía para
diferentes composiciones de la arcilla. (Crédito: Fundamentals of
Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)
Volumen agregado
Volumen de la
arcilla húmeda
Agua
Aire
Arcilla sólida
Volumen de agua
No se forman rebabas en el prensado seco y no ocurre contracción por el secado, así que el
tiempo de secado se elimina, lográndose una buena precisión dimensional del producto final. La
secuencia del proceso en el prensado seco es similar a la del prensado semiseco. Los productos
típicos incluyen azulejos para baño, aisladores eléctricos y ladrillos refractarios.
Secado
FIGURA 11.7 Curva de velocidad de secado típica
asociada a una reducción de volumen (contracción por
secado) para un cuerpo cerámico. La velocidad de
secado en la segunda etapa se muestra aquí como una
línea recta (disminución constante de la velocidad en
función del contenido de agua); la función se muestra
en la literatura de varias formas, cóncava o convexa
[3], [8]. (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso
con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)
Volumen
agregado
El agua juega un papel importante en la mayoría de los procesos tradicionales para dar la forma al
cerámico. Pero en adelante ya no tiene ningún objeto y debe removerse del cuerpo de la pieza antes
de cocerla. La contracción es un problema durante este paso porque el agua aporta volumen a la
pieza y cuando se retira, el volumen se reduce. El efecto se puede ver en la figura 11.6. Al añadir
agua inicialmente a la arcilla seca, ésta reemplaza simplemente al aire de los poros entre los granos
cerámicos y no hay cambio de volumen. Al incrementarse el contenido de agua por arriba de cierto
punto, los granos empiezan a separarse y el volumen aumenta, lo que da por resultado una arcilla
húmeda que tiene plasticidad y facilidad de formado. Al aumentar el contenido de agua la mezcla
se convierte a la larga en una suspensión líquida de partículas de arcilla en agua.
El proceso inverso ocurre en el secado. Al remover agua de la arcilla húmeda, el volumen de
la pieza se contrae. El proceso de secado ocurre en dos etapas, como se describe en la figura 11.7.
En la primera etapa, la velocidad de secado es rápida y constante, debido a que el agua de la superficie de la arcilla se evapora en el aire circundante y el agua interior emigra, por acción capilar,
hacia la superficie para reemplazarla. Durante esta etapa ocurre la contracción, con el riesgo asociado de deformación y agrietamiento debido a las variaciones del secado en diferentes secciones
de la pieza. En la segunda etapa de secado, el contenido de humedad se ha reducido hasta que los
granos cerámicos han quedado en contacto, y ocurre poca o ninguna contracción subsecuente. El
proceso de secado se hace más lento, como se puede ver en la gráfica de la velocidad decreciente.
Velocidad de
secado
11.1.3
Volumen
(contracción)
Progreso
del secado
Etapa 1 de secado
Etapa 2 de secado
Contenido de humedad
(volumen de agua)
238 CAPÍTULO 11 Procesamiento de cerámicos y cermets
En producción, el secado se realiza de manera usual en cámaras donde son controladas la temperatura y la humedad para lograr la calendarización apropiada de secado. Debe tenerse cuidado de
no remover demasiado rápido el agua de la pieza, para evitar que se formen altos gradientes de humedad, haciendo el material más propenso a las grietas. El calentamiento se hace normalmente por
una combinación de convección y radiación usando fuentes infrarrojas. Los tiempos típicos de secado van desde 15 minutos para secciones delgadas, hasta varios días para secciones muy gruesas.
11.1.4
Cocimiento (sinterizado)
Después de dar la forma al material, pero antes del cocimiento, se dice que la pieza de cerámico
está en verde (el mismo término que en la metalurgia de polvos), lo cual significa que no está
completamente procesada o tratada. La pieza en verde carece de dureza y resistencia, debe cocerse para fijar la forma de la pieza y lograr dureza y resistencia en el producto final. El cocimiento
es el proceso de tratamiento térmico que sinteriza al material cerámico y se realiza en un horno
cerámico (kiln, en inglés). En el sinterizado se desarrollan uniones entre los granos cerámicos y
esto va acompañado de densificación y reducción de porosidad. Por tanto, ocurre una nueva contracción en el material policristalino además de la que ya ha ocurrido en el secado. La sinterización en cerámico es básicamente el mismo mecanismo que en la metalurgia de polvos. En el
cocimiento del cerámico tradicional pueden ocurrir ciertas reacciones químicas entre los componentes de la mezcla y formarse también una fase vítrea entre los cristales, la cual actúa como
aglutinante. Ambos fenómenos dependen de la composición química del material cerámico y de
las temperaturas de cocimiento que se usan.
Las piezas de cerámico sin vidriarse se cuecen solamente una vez; los productos vidriados se
cuecen dos veces. El vidriado se refiere a la aplicación de un recubrimiento cerámico en la superficie para hacer las piezas más impermeables al agua y mejorar su apariencia. La secuencia de
procesamiento usual de los artículos vidriados es: 1) cocimiento de los artículos antes del vidriado para endurecer el cuerpo de la pieza, 2) aplicar el vidriado y 3) cocer la pieza una segunda vez
para endurecer el vidriado.
11.2 Procesamiento de cerámicos nuevos
La mayoría de los cerámicos tradicionales se basa en la arcilla (barro), que posee la capacidad
única de adquirir plasticidad cuando se mezcla con agua, y dureza cuando se seca y se cuece. La
arcilla consta de varios compuestos de silicato hidratado de aluminio, mezclados usualmente con
otros materiales cerámicos, para formar una composición química más bien compleja. Los nuevos cerámicos (sección 2.2.2) se basan en compuestos químicos más simples, como óxidos, carburos y nitruros. Estos materiales no poseen la plasticidad y facilidad de formado de las arcillas
tradicionales cuando se mezclan con agua. Por consiguiente, los polvos deben combinarse con
otros ingredientes para lograr la plasticidad y otras propiedades convenientes durante el formado
y aplicar así los métodos convencionales. Los nuevos cerámicos se diseñan generalmente para
aplicaciones que requieren alta resistencia, dureza y otras propiedades que no se encuentran en
los materiales cerámicos tradicionales. Estos requerimientos motivaron la introducción de varias
técnicas nuevas de procesamiento no usadas antes en los cerámicos tradicionales.
La secuencia de manufactura para los nuevos cerámicos se puede resumir en los siguientes
pasos: 1) preparación de materiales iniciales, 2) dar la forma, 3) sinterizado y 4) acabado. Si bien
la secuencia es casi la misma para los cerámicos tradicionales, los detalles son frecuentemente
muy diferentes como se verá a continuación.
11.2.1
Preparación de materiales iniciales
Como la resistencia que se especifica para estos materiales es generalmente mucho más grande
que para los cerámicos tradicionales, los polvos iniciales deben ser más homogéneos en tamaño
11.2
Procesamiento de cerámicos nuevos 239
y composición y el tamaño de partícula debe ser más pequeña (la resistencia del producto cerámico resultante es inversamente proporcional al tamaño de grano). Por tanto, se requiere un mayor control de los polvos iniciales. La preparación de los polvos incluye métodos mecánicos y
químicos. Los métodos mecánicos constan de las mismas operaciones de molienda que se llevan
a cabo en el molino de bolas utilizado con los cerámicos tradicionales. La dificultad con estos
métodos es que las partículas del cerámico se contaminan con el material de las bolas y paredes
del molino. Esto compromete la pureza de los polvos cerámicos y como resultado aparecen grietas microscópicas que reducen la resistencia del producto final.
Se usan dos métodos químicos para lograr mayor homogeneidad en los polvos de los nuevos
cerámicos: 1) secado por congelación y 2) precipitación de una solución. En secado por congelación, las sales de un producto químico inicial apropiado se disuelven en agua y la solución se
rocía para formar gotas pequeñas que son rápidamente congeladas. Después, se remueve la humedad de las gotas en una cámara de vacío, la sal resultante secada por congelación se descompone por calentamiento para formar polvos cerámicos. El secado por congelación no es aplicable
a todos los cerámicos, debido a que en algunos casos no es posible identificar una sal soluble en
agua adecuada como material inicial.
La precipitación de una solución es otro método de preparación que se usa para los nuevos
cerámicos. En el proceso típico, el compuesto cerámico deseado se disuelve a partir del mineral
inicial, permitiendo filtrar las impurezas. Entonces se precipita un compuesto intermedio de la
solución, que se convierte en el compuesto deseado por calentamiento. Un ejemplo del método
de precipitación es el proceso Bayer para producir alúmina de alta pureza (se usa también en la
producción de aluminio). En este proceso el óxido de aluminio se disuelve del mineral llamado
bauxita, para remover los compuestos de hierro y otras impurezas. Luego se precipita el hidróxido de aluminio (Al(OH)3) de la solución y se reduce a Al2O3 por calentamiento.
La preparación posterior de polvos incluye la clasificación por tamaños y el mezclado combinado antes de darles forma. Se requieren polvos muy finos para las aplicaciones de los nuevos
cerámicos, por lo que se deben separar los granos y clasificarlos de acuerdo con su tamaño. Se
requiere también el mezclado total de las partículas para evitar segregación, especialmente cuando se combinan diferentes polvos cerámicos.
Frecuentemente se combinan varios aditivos con los polvos iniciales, por lo general en pequeñas cantidades. Estos aditivos incluyen 1) plastificantes, para mejorar la plasticidad y facilidad de trabajo; 2) aglutinantes, para unir las partículas del cerámico en una masa sólida en el
producto final; 3) agentes humectantes, para mejorar el mezclado; 4) desfloculantes, que ayudan
a prevenir la aglomeración y la unión prematura de los polvos, y 5) lubricantes, para reducir la
fricción entre los granos cerámicos durante el formado y para reducir la adherencia cuando se
retira la pieza del molde.
11.2.2
Formado
Muchos de los procesos para dar forma (formado) para los nuevos cerámicos han sido tomados
de la metalurgia de polvos y de la cerámica tradicional. Los métodos de prensado y sinterizado
analizados en la sección 10.2 han sido adaptados para los nuevos materiales cerámicos. Se han
usado algunas de las técnicas de formado de los cerámicos tradicionales (sección 11.1.2) para
formar los nuevos cerámicos, incluyendo el vaciado deslizante, la extrusión y el prensado en seco. Los procesos que describiremos a continuación no se relacionan normalmente con el formado
de cerámicos tradicionales, aunque varios de ellos se asocian con la metalurgia de polvos.
El prensado caliente es similar al prensado en seco, excepto que el proceso
se lleva a cabo a temperaturas elevadas, así el sinterizado del producto se realiza simultáneamente con el prensado. Esto elimina la necesidad de un paso de cocimiento adicional en la secuencia.
Se obtienen densidades más altas y granos de tamaño más fino, pero la vida del dado se reduce
por la abrasión de las partículas calientes contra la superficie del dado.
Prensado caliente
El prensado isostático de los cerámicos es el mismo proceso que se usa
en la metalurgia de polvos (sección 10.3.1). Usa presión hidrostática para compactar los polvos
Prensado isostático
240 CAPÍTULO 11 Procesamiento de cerámicos y cermets
Pasta aguada
de cerámico
Zona de
secado
Película
portadora
v
Cinta en verde
Estructura
de soporte
Carrete de película portadora
Carrete
de la cinta
FIGURA 11.8 Proceso de bisturí (doctor-blade process, en inglés) que se usa para fabricar láminas
delgadas de cerámica. El símbolo v indica movimiento (v = velocidad). (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a. ed., de Mikell P. Groover, 2010. Reimpreso con autorización de John Wiley &
Sons, Inc.)
cerámicos en todas direcciones, evitando la falta de uniformidad del producto final, problema que
se observa frecuentemente en los métodos de prensado uniaxial tradicional.
Este proceso se usa para hacer láminas delgadas de material cerámico. Una
aplicación común son las láminas que se usan en la industria electrónica como materiales de
sustrato para los circuitos integrados. El proceso se muestra en el diagrama de la figura 11.8. Una
pasta aguada de cerámico se introduce en una película portadora móvil como el celofán. El espesor del cerámico en la película portadora se determina por un limpiador llamado bisturí. Al moverse la pasta por debajo de la línea, se seca formando una cinta cerámica en verde flexible. Al
final de la línea se enrolla la cinta en un carrete para su procesado posterior. La cinta en verde se
puede cortar o procesar antes de cocerse.
Proceso de bisturí
Moldeo por inyección de polvos (Powder Inyection Molding) Es el mismo proceso que se
usa en metalurgia de polvos (sección 10.3.2), excepto que los polvos son cerámicos en lugar de
metálicos. Las partículas del cerámico se mezclan para combinarse con un polímero termoplástico que actúa como portador y que proporciona las características apropiadas de flujo a las temperaturas de moldeo. La mezcla se calienta y se inyecta en la cavidad de un molde. Cuando el
polímero se enfría y endurece, se abre el molde y se retira la pieza. Debido a que las temperaturas
que se necesitan para plastificar el portador son mucho más bajas que las requeridas para efectuar
el sinterizado del material cerámico, la pieza sigue en verde después del moldeo. Antes del sinterizado se debe remover el aglutinante plástico. Esto se llama desaglomeración y se realiza generalmente mediante una combinación de tratamientos térmicos con solventes.
Las aplicaciones del moldeo por inyección de polvos para los cerámicos son limitadas debido a las dificultades en la desaglomeración y el sinterizado. El quemado del polímero es relativamente lento, y su remoción debilita la resistencia en verde de la parte o pieza moldeada. Con
frecuencia se presentan torceduras y grietas durante el sinterizado. Los productos cerámicos
hechos por PIM son especialmente vulnerables a grietas microestructurales que limitan su resistencia.
11.2.3
Sinterizado
Como la plasticidad que se necesita para formar los nuevos cerámicos no se basa en una mezcla
con agua, se puede omitir el secado comúnmente requerido para remover el agua de los cerámicos tradicionales en verde en el procesamiento de la mayoría de los nuevos productos cerámicos.
Sin embargo, el paso de sinterizado todavía es muy necesario para obtener las máximas resistencia y dureza posibles. Las funciones de sinterizado son las mismas que antes: 1) unir los granos
individuales en una masa sólida, 2) incrementar la densidad y 3) reducir o eliminar la porosidad.
Para sinterizar el material cerámico se usan comúnmente temperaturas de 80 a 90% del punto de fusión. El mecanismo de sinterización es diferente entre los nuevos cerámicos, que se basan
11.3
Procesamiento de cermets 241
predominantemente en un solo compuesto químico (por ejemplo, Al2O3), y los cerámicos basados en arcilla, los cuales generalmente consisten en varios compuestos con diferentes puntos de
fusión. En el caso de las nuevos cerámicos, el mecanismo de sinterizado es la difusión de masa a
través de las superficies de contacto de las partículas, probablemente acompañada de algún flujo
plástico. Este mecanismo ocasiona que los centros de las partículas se muevan para juntarse más,
el efecto se traduce en una densificación del material final. En el sinterizado de cerámicos tradicionales, este mecanismo se complica por la fusión de algunos constituyentes y la formación de
una fase vidriada que actúa como aglutinante entre los granos.
11.2.4 Acabado
Las piezas hechas con los nuevos cerámicos requieren algunas veces de acabado. En general
esta operación tiene uno o más de los siguientes propósitos: 1) incrementar la precisión dimensional, 2) mejorar el acabado de la superficie y 3) hacer cambios menores en la geometría de la
pieza. Las operaciones de acabado involucran generalmente rectificado y otros procesos abrasivos (capítulo 18). Se necesita usar abrasivos de diamante para cortar los materiales cerámicos
endurecidos.
11.3
Procesamiento de cermets
Muchos compósitos de matriz metálica (Metal Matrix Composites) y compósitos de matriz cerámica (Ceramic Matrix Composite) se procesan por métodos de procesamiento particulado. Los
ejemplos más prominentes son los carburos cementados y otros cermets.
11.3.1
Carburos cementados
Los carburos cementados son una familia de los materiales compósitos que consisten en partículas de carburos cerámicos incorporadas en un aglutinante metálico. Se clasifican como compósitos de matriz metálica debido a que el aglutinante metálico es la matriz que mantiene junta la
masa del material; sin embargo, las partículas de carburo constituyen la proporción más grande
del material compósito y fluctúa normalmente entre 80 y 95% en volumen. Los carburos cementados se clasifican técnicamente como cermets, aunque con frecuencia se distinguen de otros
materiales en esta clase.
El carburo cementado más importante es el carburo de tungsteno en un aglutinante de cobalto
(WC-Co). En esta categoría se incluyen generalmente ciertas mezclas de WC, TiC y TaC en una
matriz de Co en las cuales el carburo de tungsteno es el principal componente. Otros carburos cementados incluyen carburo de titanio en níquel (TiC-Ni) y carburo de cromo en níquel (Cr3C2-Ni).
Estos materiales compósitos se revisaron en la sección 2.4.2, y los ingredientes de carburo se
describieron en la sección 2.2.2. Aquí interesa el procesamiento de carburos cementados