Procesos de Conformado: Laminación y Forja

Transcripción

1 Procesos de Conformado: Laminación y Forja Año Procesos de Conformado Conformado en Caliente Conformado en Frio Que es la laminación? Contenido Laminación de chapas, perfiles, rieles, tubos sin costura, redondos. Cajas de Laminación: Duo, Trio, Cuarto, 6 y 12 cilindros Trenes de Laminación: Duo, Duo Reversible, Trio, Cuarto, Cuarto Reversible, Semicontinuo, Continuo. Laminación en Caliente, Laminación en Frio, Laminación Controlada Productos Brutos Siderurgicos, Semiterminados y Terminados Que es el forjado? Clasificación Herramientas y máquinas de forjar Materiales para forjar Tratamientos térmicos de los materiales forjados Líneas de forja y estructura metalográfica. Métodos de observación Herramientas para el forjado en frío 2

2 Fundamentos generales de los Procesos de Conformado de los metales Objetivos de un proceso de conformado: à Obtener una forma deseada à Mejorar las propiedades del metal Modificando la microestructura Endureciendo por precipitación Tamaño, forma y distribución de los granos Colateralmente se busca destruir la estructura dendrítica proveniente del proceso de colada. La habilidad del material para ser sometido a un proceso de conformado (Conformabilidad) será mayor a medida que es menor la Tensión de Fluencia y mayor la Ductilidad del material. 3 Conformado en Caliente à Se realiza a temperatura y las velocidades de deformación tales que genera deformación y restauración al mismo tiempo. à No ocurre endurecimiento por deformación. à Generación continua de granos libres de deformación producto de la recristalización. à Mayor ductilidad à Se logran mayores niveles de deformación. à El nivel de tensiones en el material no supera al limite elástico o fluencia. à Se requiere menor energía respecto de la necesaria para el conformado en frio. à Las sopladuras y rechupes internos se eliminan por soldadura al aplastarse estas cavidades Efectos adversos en los aceros: à Perdida de material por oxidación superficial à Incrustaciones de oxido en la superficie à Decarburizacion. à Los efectos de la dilatación/contracción son inevitables en los aceros à menores tolerancias Estaño y Plomo: El trabajado en caliente se produce a temperatura ambiente. Tungsteno: A 1100 C, el trabajado será en frio. 4

3 Conformado en Frio à Se realiza a temperatura y las velocidades de deformación tales que se genera deformación únicamente. à Ocurre endurecimiento por deformación. à Incrementa la Resistencia Mecánica à Disminuye la Ductilidad à Requiere de recocidos intermedios para continuar con el proceso de conformado. Ajustando convenientemente el ciclo de trabajo en frío y recocido se pueden obtener piezas con cualquier grado de endurecimiento por deformación. Endurecimiento por deformación o trabajado en frio es el fenómeno por el que un material dúctil se hace mas duro y resistente a medida que es 5 deformado plásticamente. 6

4 Influencia en las propiedades mecánicas de un AISI SAE 1010 con el % de trabajado en frio 7 Influencia de la T de recocido (para t=1hora) sobre la resistencia a la tracción y ductilidad del latón 8

5 Procesos Típicos de Conformado Diferencias entre Laminación y Forja: Laminación: La deformación se produce en una sola dirección del espacio. Se obtienen productos de sección constante como chapas, perfiles o barras. Forja: Se modifica tridimensionalmente la forma del metal mediante la deformación plástica producida por presión o impacto. Se obtienen piezas como cigüeñales, árboles de levas, piñonería, herramientas agrícolas o mecánicas, cubertería, etc. 9 Laminación (definición): Es el proceso que consiste en deformar plásticamente un material mediante fuerzas de compresión aplicadas a través de un juego de rodillos. Objetivo: Reducir espesor (o modificar la sección transversal) de la pieza. Representa el 90% de los procesos metalúrgicos de conformado. Al deformar los metales pasándolos entre los cilindros se somete el material a intensas tensiones de compresión, por el efecto de aplastamiento de los cilindros, y a tensiones superficiales de cizallamiento originadas por la fricción entre los cilindros y el metal. Las fuerzas de fricción son las encargadas de producir el estirado del metal.

6 Laminado en caliente (convencional) En general es la primera operación del laminado, llevado a cabo en un laminador primario o tren desbastador. Se logran rendimientos de ton a 5 millones de toneladas anuales. Objetivo: producir la forma requerida con el mínimo número de pasadas de cilindro. Proceso: Recalentamiento a 1200 C de lingotes, desbastes rectangulares, desbastes cuadrados o palanquillas y primeras pasadas entre cilindros. El número de pasadas puede ser de hasta 70 (según material de entrada y tamaño del producto acabado). La reducción del espesor del material caliente conlleva un aumento de longitud y una extensión lateral (el volumen siempre es constante). En caliente, el límite de fluencia del acero es menor, logrando grandes deformaciones con fuerzas de cilindro moderadas. A medida que el proceso de conformado prosigue, ocurre la restauración del material en forma constante sin endurecerse. No ocurre disminución del tamaño de grano. Así todo es necesario controlar la reducción total y la reducción en cada pasada, para evitar una deformación excesiva que pueda fisurar el metal. Laminado en caliente (controlada) Objetivo: aumentar la resistencia y tenacidad del acero mediante un control cuidadoso de la temperatura y la deformación durante el laminado. Se logran T de transición ductil-fragil menores a 60 C. Laminación controlada es un término genérico para designar los procedimientos de laminado en los que la temperatura y la deformación durante la laminación están controladas para obtener las propiedades del material requeridas. à Laminado de normalización (@ 950 C) àlaminación termomecánica controlada ( Thermomechanical controlled rolling, TMCR). Incluye dos subprocesos, que emplean ritmos de enfriamiento incrementados, con o sin revenido: a) Enfriamiento acelerado b) Temple y autorrevenido 11 FABRICACION DEL ACERO La colada continua es un método de laminar aceros directamente sin pasar por el lingote, es una maquina en la que se utiliza tecnología aprovechando las propiedades de los aceros. Dentro de las ventajas, esta que no hay despuntes, por rechupes. Dentro de las desventajas, el rechupe es interno y quedan las impurezas alineadas en el centro de la palanquilla. 12

7 Esquemas de varios procesos de laminado plano y no plano 13 Laminación de chapas

8 Laminación de perfiles Laminación de perfiles: riel

9 Laminación de tubos sin costura Efecto Mannesmann Laminación de tubos sin costura

10 Laminación de Redondos 19 LAMINACION PRODUCTOS BRUTOS SIDERURGICOS (IRAM-IAS U Parte 1) Acero Fundición de hierro Lingote de acero: producto bruto resultante de la solidificación del acero líquido en molde metálico (lingotera). De forma troncocónica o troncopiramidal, con aristas redondeadas, destinado a una transformación plástica posterior. PRODUCTOS SEMITERMINADOS OBTENIDOS POR LAMINACION O FORJADO (IRAM-IAS U Parte 1) Tocho (bloom): producto semiterminado de sección transversal, cuadrada o rectangular, mayor a mm 2. Si la sección es rectangular la relación ancho espesor será menor a 2. Las aristas son redondeadas. Palanquilla (billet): producto semiterminado de sección transversal, cuadrada o rectangular, menor a mm 2. El espesor es menor a 40 mm. Si la sección es rectangular la relación ancho espesor será menor a 2. Las aristas son redondeadas. Planchón (slab): producto semiterminado de sección transversal rectangular destinado a ser laminado. El espesor es mayor a 40 mm y el ancho es mayor o igual a 500 mm. Las aristas deben ser redondeadas. Llantón (sheet bar): producto semiterminado de sección transversal rectangular destinado a ser laminado. El espesor es mayor a 6 mm y menor a 40 mm. El ancho es mayor a 150 mm y menor a 500 mm. Las aristas deben ser redondeadas. Redondo de colada continua (continuous casting round): producto semiterminado de sección transversal circular menor a mm 2. Es destinado a ser laminado o forjado. Chapa laminada en caliente en bobina para relaminar (coil): producto laminado plano semiterminado, destinado a ser laminado en frío. El espesor es mayor a 1,5 mm y el ancho mayor a 500 mm, presentado en bobinas, con bordes de laminación 20

11 Definición según la relación geométrica entre espesor y ancho de productos siderúrgicos semiterminados LAMINACION PRODUCTOS TERMINADOS OBTENIDOS POR LAMINACION, FORJADO o EXTRUSIÓN (IRAM-IAS U Parte 1) Chapa gruesa (plate) à laminado plano à e > 4,75 mm y ancho > 500 mm Chapa fina (sheet) à laminado plano àe 3 mm y ancho > 500 mm Fleje (strip) à laminado plano àe 5 mm y ancho 500 mm Barra maciza (solid bar) Barra hueca (hollow bar) Perfil (section) à laminado no plano à sección transversal en forma geométrica (U, L, T, C) suministrado en tramos rectos Tubo (tube) Caño (pipe) Alambrón (wire rod) àlaminado redondo à sección transversal en forma geométrica à suministrado en rollos à para trefilar 22

12 Qué diferencia hay entre...? Tubo Caño Barra hueca y entre Perfil Barra maciza Laminación en caliente Instalación básica de un taller de laminación Tren de laminación Hornos de calentamiento à (1100 a 1300 C) Transporte del material que se lamina Trenes de laminación Equipos de corte Acondicionamiento de la superficie (descamado, desengrasado) END Tipos de trenes de laminación Desbastador ( blooming ): se emplea para el laminado de gruesos lingotes, que reduce a tochos (bloom) o planchón. Los cilindros deben ser suficientemente pesados, su diámetro varía entre 700 a 1400 mm. Entre pasadas el tocho puede girar 90. Laminador de palanquillas (billets): utiliza cilindros de 700 a 900 mm de diámetro. Reduce los tochos a palanquillas. Laminador para rieles: diámetros de cilindros de 650 a 750 mm. Reversibles: giran para ambos lados

13 Laminación en caliente 25 Laminación en caliente 26

14 Laminación en frío Se pueden identificar 4 etapas en el proceso de laminado en frio: Decapado:realizado en marcha contínua en una línea que comprende un proceso de limpieza y baños con ácido sulfúrico diluido. Laminado: realizado en forma contínua utilizando un rollo, llamado bobina, con varias toneladas de peso, con un ancho que varía generalmente entre 680 mm y 1000 mm y un espesor menor que 3 mm. El tren de laminación consiste por lo general de tres pares de rodillos dispuestos en tandem, o bien, un tren contínuo de laminación reversible, pasando así la cinta formada varias veces de adelante a atrás y viceversa. Desengrasado de la banda o cinta metálica ya reducida al espesor definitivo por laminación, utilizando silicato de soda activado por electrolisis. Recocido: en hornos continuos calentados a gas o fuel-oil en una atmósfera neutra para evitar oxidación. Si este paso no esta se denomina FULL HARD o CRUDO, destinado a galvanizado en caliente por inmersión. Esta chapa así obtenida es la utilizada en la fabricación de todo tipo de elementos: partes de automotores, electrodomésticos, etc. El espesor dependerá de la precisión de los equipos, llega hasta centésimas de mm. 27 LAMINACION Esquema de un tren de laminación en frio. La velocidad de la chapa debe ir aumentando a medida que se va adelgazando. 28

15 Cajas y Trenes de Laminación 29 Caja Sendzimir 30

16 Proceso cincado o galvanizado Las chapas laminadas pueden ser revestidas por una aleación base cinc para mejorar sus resistencia a la corrosión atmosférica. El depósito de cinc o su aleación se realiza habitualmente por alguno de estos procesos: - inmersión en caliente (batea o continuo) - electrodeposición Cincado IRAM-IAS U à chapas laminadas y cincadas por proceso continuo de inmersión en caliente Z à Zn ó ZF à aleación de Zn y Fe ejemplo ZAR 250 ó ZAR 550 à Rp02 = 250 MPa ó 550 MPa 31 Forja 32

17 Qué es forjar? Forjado (forging): conformado mecánico de una aleación mediante calentamiento y martillado (Callister, W.; Fundamentals of materials science and engineering; 2001) Forja: arte y lugar de trabajo del forjador, cuya actividad principal consiste en dar forma al metal, por medio del empleo combinado del fuego y del martillo (Bonnemezón A. y Martínez Krahmer, D.; Práctica industrial de la forja en caliente; 2012) 33 34

18 35 Forja Definición: Es un proceso de conformado de metales, mediante la aplicación de grandes presiones: à MartiIlado (golpes intermitentes): Martillo / Martinete de Forja à Prensado (presión en forma continua): Prensas de Forja à Otras variantes (por ejemplo: Estampado) J Puede ser en Caliente, en Tibio o en Frio J Es el proceso de conformado más antiguo (8000 a.c.) J Aún se utiliza en la actualidad à Puede asegurar las mejores características mecánicas de los materiales (tenacidad, ductilidad, resistencia a la corrosión, resistencia a la fatiga) Producto de la microestructura + fibrado + eliminación de defectos (porosidad) à Puede lograr alto nivel de precisión dimensional 36

19 Clasificación según la T del proceso Semisólido à se forja en fase sólida y líquida à aluminio Caliente à para aceros 850 C y 1270 C à lo más común Tibio à para aceros 700 C y 950 C à mayores esfuerzos y mejor precisión (terminación) Frío à a temperatura ambiente T aprox de forjado en caliente: Principal variable a controlar en un proceso de Forja acero 1100 a 1250 C cobre y aleaciones 750 a 925 C magnesio 370 a 450 C aluminio y aleaciones: 400 a 550 C (Fig 2.1 de Bonnemezón A. y Martínez Krahmer, D.; Práctica industrial de la forja en caliente; 2012) 37 Estampado Las matrices de forja, llamadas estampas, están compuestas por dos partes: 1. Estampa superior: es mobil y esta fija a la masa que cae. Tiene gravada media pieza. 2. Estampa inferior: es fija y tiene gravada la otra mitad de la pieza. Generalmente se efectúa en etapas y puede implicar un proceso de rebabado final. 38

20 trozo inicial repartidor preforma forma final rebaba pieza forjada 39 Líneas de Forja Flujos de granos de la misma pieza conformada por tres procedimientos a) Fundición b) Mecanizado de laminado c) Forjado Líneas de forja de un acero 4130 (macroataque con HCl al 50% caliente) Redondo penetrado mostrando el patrón de flujo del grano 40

21 Líneas de Forja 41 42

22 Comparación de una pieza mecanizada vs forjada Pieza mecanizada à Exceso de material a remover (mecanizado) à Mayor mano de obra à Mayor desperdicio à Mayor tiempo Pieza forjada à Concepto: near net shape à Menos mano de obra à Menos desperdicio (mecanizado) à Menos tiempo à Bandeado perlitico à Líneas de forja optimas para las propiedades finales: Tenacidad Ductilidad Resistencia a la corrosión Resistencia a la fatiga 43 Trozo inicial Sierra Cizalla en frío Cizalla en caliente Calentamiento de los tochoc por inducción T del orden de los 1250 C 44

23 Repartidor Es una operación de preparación para el forjado de la pieza en matrices. martinete forjadora de rodillo 45 Repartidor 46

24 Martillo Masa x altura Yunque à masa = 10 a 15 x masa mazo Formas de elevar el mazo correas cadenas vapor neumático à equipos modernos hidráulico à equipos modernos El forjado se puede dar en más de un golpe Mayor altura à mayor velocidad à Rp02 47 Martillo 1- Bomba hidráulico 2- Mazo 3- Matriz superior 4- Matriz inferior 5- Yunque 6- Sistema antivibratorio El rango de energía potencial del mazo puede ir desde 10 hasta 300 kj. La frecuencia de golpes puede ir desde 50 hasta 130 golpes por minuto. Velocidad del mazo antes del golpe: 4 m/s a 7 m/s 48

25 Prensa Sin golpes à velocidad del mazo 0,1 m/s a 1 m/s Deformación más profunda Llenado de matriz constante Mayor enfriamiento de la pieza Fundaciones menos complejas Tipos de prensas tornillo biela 49 Prensa de tornillo 1- Bastidor 2- Mazo 3- Guías del mazo 4- Rosca 5- Tornillo 6- Embriague 7- Rodamiento 8- Freno hidráulico 9- Equipo de potencia 10- Eyector 11- Contrapeso neumático 50

26 Martillo vs Prensa Mp son mega pondios, el pondio es una unidad de medida de fuerza equivalente a 9,8 N. Es decir la escala de fuerza se puede leer aproximadamente como10 3 t, miles de toneladas (Billingmann, J; Estampado y prensado a máquina, 1979) 51 Operaciones posforjado Eliminación de la rebaba Balancín Doblado Perforado Tratamiento térmico Normalizado Templado y revenido Revenido Alivio de tensiones Superficial Inspección con END Mecanizado 52

27 Qué se forja en caliente? (Bonnemezón A. y Martínez Krahmer, D.; Práctica industrial de la forja en caliente; 2012) 53 Qué se forja en caliente? (Bonnemezón A. y Martínez Krahmer, D.; Práctica industrial de la forja en caliente; 2012) 54

28 Qué se forja en caliente? (Bonnemezón A. y Martínez Krahmer, D.; Práctica industrial de la forja en caliente; 2012) Definir forjado Preguntas 2. Ventajas del forjado en comparación con otros métodos de fabricación 3. Cómo se clasifican los procesos de forjado según la temperatura de la pieza? 4. Qué son las líneas de forjado? 5. Cuáles son las principales etapas del proceso? 6. Qué es un repartidor? 7. Qué es la rebaba? 8. Qué tipo de equipos se utilizan en la etapa de forjado? 56

29 Preguntas 9. Qué diferencias hay entre el martillo y la prensa? 10. Qué ventajas tiene el forjado en frío respecto al forjado en caliente? 11. Cuáles son las típicas operaciones de posforja? 12. Qué tipo de materiales se utilizan para las matrices del forjado en caliente? 13. Qué tipo de materiales se utilizan para el forjado en frío? 14. Qué es el recalcado? 57