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• Fernando Ruano

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INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESIME UNIDAD AZCAPOTZALCO

Ingeniería de Manufactura

“Práctica Demostrativa” Alumno: Ruano Méndez Fernando de Santiago Grupo: 4RM1 Profesor titular: Barrera López Gerardo Profesor Laboratorio: José Emmanuel Bonilla Ramirez

OBJETIVO: El alumno conocerá las instalaciones del Laboratorio de Forja y Tratamientos Térmicos así como los diferentes tipos de máquinas y herramientas que serán utilizadas para diversas aplicaciones.

Antecedentes de la Forja No se conoce con exactitud la fecha en que se descubrió la técnica de fundir mineral de hierro para producir un metal susceptible de ser utilizado. Los primeros utensilios de hierro descubiertos por los arqueólogos en Egipto datan del año 3000 a.C., y se sabe que antes de esa época se empleaban adornos de hierro. Los griegos ya conocían hacia el 1000 a.C. la técnica, de cierta complejidad, para endurecer armas de hierro mediante tratamiento térmico. Las aleaciones producidas por los primeros artesanos del hierro (y, de hecho, todas las aleaciones de hierro fabricadas hasta el siglo XIV d.C.) se clasificarían en la actualidad como hierro forjado. Para producir esas aleaciones se calentaba una masa de mineral de hierro y carbón vegetal en un horno o forja con tiro forzado. Ese tratamiento reducía el mineral a una masa esponjosa de hierro metálico llena de una escoria formada por impurezas metálicas y cenizas de carbón vegetal. Esta esponja de hierro se retiraba mientras permanecía incandescente y se golpeaba con pesados martillos para expulsar la escoria y soldar y consolidar el hierro. El hierro producido en esas condiciones solía contener un 3% de partículas de escoria y un 0,1% de otras impurezas. En ocasiones esta técnica de fabricación producía accidentalmente auténtico acero en lugar de hierro forjado. Los artesanos del hierro aprendieron a fabricar acero calentando hierro forjado y carbón vegetal en recipientes de arcilla durante varios días, con lo que el hierro absorbía suficiente carbono para convertirse en acero auténtico. Después del siglo XIV se aumentó el tamaño de los hornos utilizados para la fundición y se incrementó el tiro para forzar el paso de los gases de combustión por la carga o mezcla de materias primas. En estos hornos de mayor tamaño el mineral de hierro de la parte superior del horno se reducía a hierro metálico y a continuación absorbía más carbono como resultado de los gases que lo atravesaban. El producto de estos hornos era el llamado arrabio, una aleación que funde a una temperatura menor que el acero o el hierro forjado. El arrabio se refinaba después para fabricar acero. La producción moderna de acero emplea altos hornos que son modelos perfeccionados de los usados antiguamente. El proceso de refinado del arrabio mediante chorros de aire se debe al inventor británico Henry Bessemer, que en 1855 desarrolló el horno o convertidor que lleva su nombre.

FORJA MANUAL La forja manual es la forma más sencilla de forjado y es uno de los primeros métodos con que se trabajó el metal. Primero, el metal se calienta al rojo vivo en el fuego de una fragua, y después se golpea sobre un yunque para darle forma con grandes martillos denominados machos de fragua. Ésta es un hogar abierto construido con una sustancia refractaria y duradera, como ladrillo refractario, y dotado de una serie de aberturas por las que se fuerza el aire mediante un fuelle o un ventilador. En la fragua se emplean como combustible diversos tipos de carbón, entre ellos coque o carbón vegetal. El herrero además de martillos, emplea otras herramientas en las diferentes operaciones de forja. En general existen seis tipos básicos de forjado: el engrosado, que consiste en reducir la longitud del metal y aumentar su diámetro; la compresión para reducir el diámetro del metal; el doblado; la soldadura, o unión de dos piezas de metal por semifusión; el perforado, o formación de pequeñas aberturas en el metal, y el recortado o realización de grandes agujeros. Para engrosar una pieza de metal se golpea a lo largo de la dimensión más larga (por ejemplo, el extremo de una barra o varilla), lo que acorta y comprime la pieza. La compresión se logra golpeando el trozo de metal mientras se sujeta sobre el yunque con alguna de las diversas herramientas cóncavas llamadas estampas de forja. El doblado se consigue golpeando la pieza alrededor de un molde o haciendo palanca con la pieza en un punto de apoyo. Para soldar hierro en la fragua, se aplica en primer lugar un fundente —como el bórax— al metal calentado, para eliminar cualquier posible óxido en las superficies de las piezas, y después se juntan éstas golpeando una contra otra a altas temperaturas; si está bien hecha, una junta soldada de este tipo es homogénea y tan resistente como el metal original. Para taladrar agujeros pequeños se apoya el trozo de metal en una pieza anular situada encima del yunque y se atraviesa con un punzón a golpes de martillo. Para recortar agujeros mayores o trozos de metal se emplean cinceles pesados y afilados, similares a los cortafríos utilizados para cortar metal en frío. La combinación de varias operaciones puede producir piezas forjadas de una gran variedad de formas.

CROQUIS 27

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Entrada

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1. Tina de Aceite 2. Tina de agua caliente 3. Oficina 4. Batidora y agitador 5. Horno eléctrico (1000 ºC) 6. Horno eléctrico (300 ºC) 7. Horno eléctrico (1600 ºC) 8. Horno eléctrico (1000 ºC) 9. Horno de gas tipo crisol, tipo forzado e inducido (1300 ºC) 10. Pirómetro 11. Horno de gas tipo cámara, tipo forzado e inducido (1500 ºC) 12. Horno de gas tratamiento térmico (1200 ºC) 13. Forja cerrada, impacto, estampadora (300 ton) 14. Forja cerrada, presión, prensa (45 ton) 15. Forja cerrada, impacto, martillo de tablas o de caída libre (20 ton) 16. Tina de aceite 17. Horno eléctrico, ladrillo refractado (600 ºC) 18. Horno de gas (1300 ºC) 19. Tina de agua calentada con carbón 20. Martillete hidráulico (140 , 1 ton) 21. Martillo pilón (180 ,1/2 Ton) 22. Piezas estampadoras 23. Troqueladora 24. Roladora 25. Horno de gas (1300 ºC) 26. Horno de gas (1300 ºC) 27. Mazos y Yunques

Imágenes de laboratorio

DESARROLLO Definición y clasificación de la Forja El proceso de forja se define como una operación de conformado mecánico por la cual se obtienen piezas de sección transversal irregular al comprimir un bloque metálico, denominado tocho, entre dos útiles de trabajo llamados estampas, aprovechando la plasticidad del material. En virtud de los elevados niveles de deformación inherentes al proceso, éste se realiza normalmente en caliente. Este proceso permite fabricar piezas de materiales ferrosos y no ferrosos en dimensiones, geometrías y pesos muy variados que sería imposible obtener mediante otras operaciones. Una de sus principales ventajas es que la pieza de trabajo sale de este proceso con dimensiones y geometría cercanas a las finales, implicando mayor facilidad y rapidez para su maquinado.

CLASIFICACIÓN DE LA FORJA El proceso de forja se clasifica de muy diversas formas, dependiendo del estado del material que se va a forjar y de la forma del proceso, esto es:

FRIO

F O R J A

POR LAS CONDICIONES DEL PROCESO

CALIENTE

MATRIZ ABIERTA POR LAS CARACTERISTICAS DE LAS HERRAMIENTAS

MATRIZ CERRADA FORJA CON RODILLOS

FORJA EN FRÍO. Fundamentalmente se efectúan operaciones de acabado o aquellas que se caracterizan por pequeños porcentajes de deformación . FORJA EN CALIENTE. El 90% de piezas forjadas son hechas con este método. Con el calentamiento correcto de la pieza se mejora la capacidad de ésta para cambiar de forma y dimensiones, sin que se presenten fallas o agrietamiento. Este método se clasifica según la complejidad del diseño de la matriz, la cual está constituida por un par de bloques con dimensiones e impresiones determinadas que sirven para dar forma al metal mediante un mecanismo que acciona las herramientas formadoras, haciendo contacto con las piezas de trabajo, comprimiéndolas ya sea por presión (prensa), o por impacto (martillo). FORJA DE MATRIZ ABIERTA O LIBRE. Este tipo de proceso se emplea para producir formas simples en poco tiempo y con bajo costo, esto es debido a que carecen de detalles y dimensiones exactas. Las formas producidas con matriz abierta usualmente requieren de maquinaria adicional para poder terminar la geometría de la pieza. FORJA ESTAMPA. En este proceso se utiliza una matriz, dado o estampa con una o varias cavidades de la geometría de la pieza. El impacto de la maza o la presión del émbolo sobre la pieza de trabajo, la obliga a llenar todo el hueco de las matrices coincidentes. La estampa puede constar de varias etapas que favorezcan la deformación del material y garanticen precisión y

duración del herramental. El número de etapas estará definido por la complejidad de la pieza a producir. FORJA CON RODILLOS. Este proceso se emplea para reducir la sección transversal de barras, razón por la cual se aplica en operaciones de preforma para la posterior forja en estampa. Por la forma en que se realiza y debido a su limitada aplicación, en muchas ocasiones no se le menciona al definir los procesos de forja; normalmente involucra grandes deformaciones, por lo que se efectúa en caliente.

MATERIALES USUALMENTE FORJADOS

En general podrán ser forjados todos aquellos materiales y aleaciones que presenten una buena plasticidad a la temperatura de trabajo, por lo que los cúbicos de cara centrada y algunos cúbicos de cuerpo centrado y hexagonales compactos podrán forjarse; los más comunes son los aceros al carbono y de baja aleación. Materiales con alguna aplicación industrial son, por ejemplo: Aceros inoxidables Aceros refractarios Aluminio y aleaciones de aluminio Cobre y sus aleaciones Magnesio y sus aleaciones Titanio y sus aleaciones Níquel y sus aleaciones Berilio Algunas aleaciones de materiales refractarios, tales como el tungsteno, niobio y molibdeno.

CLASIFICACIÓN DE LAS MÁQUINAS PARA FORJA Máquinas para forja por impacto Los martillos cuentan con una maza que se desliza en una corredera, la cual, cuando el movimiento es vertical, tiene una carrera descendente, y ejerce una fuerza de golpeo contra un componente estacionario o yunque que se encuentra cerca de la base del martillo. La mitad superior de la matriz se coloca en la mesa móvil o corredera que tiene el peso que se va a proyectar, la mitad inferior se encuentra colocada sobre el yunque de la máquina.

Martillo de caída libre Simple Efecto

Martillos de caída libre elevados por aire

Considerando accionamiento

Doble Efecto

Martillos de potencia Martillos de contragolpe Martillos de pequeña capacidad accionados por ballesta o por mecanismos de tipo excéntrico

Martillo para forja libre Considerando su aplicación

Considerando el tipo de estructura o bastidor

Martillo para forja con matriz

Bastidor abierto o simple bastidor Bastidor cerrado o doble bastidor

De tablón De cadena De tambor De cuerda

Máquinas para forja por aplicación de presión Por su accionamiento se clasifican en la siguiente tabla:

P R E N S A S

Husillo-tuerca De cuña De rodillera De biela- cigüeñal

MECANICAS

HIDRAULICAS

Aplicación mas lenta de la presión, mayor eficiencia, mayor costo inicial

Definición y clasificación del Acero El término acero sirve comúnmente para denominar, en ingeniería metalúrgica, a una mezcla de hierro con una cantidad de carbono variable entre el 0,03 % y el 2,14 % en peso en su composición, dependiendo del grado. Si la aleación posee una concentración de carbono mayor al 2,14 % se producen fundiciones que son mucho más frágiles y no es posible forjarlas sino que deben ser moldeadas.

Clasificación según UNE-EN 10020:2001 Por composición química Según la norma UNE EN 10020:2001, y atendiendo a la composición química, los aceros se clasifican en: • Aceros no aleados, o aceros al carbono: son aquellos en el que, a parte del carbono, el contenido de cualquiera de otros elementos aleantes es inferior a la cantidad mostrada en la tabla 1 de la UNE EN 10020:2001. Como elementos aleantes que se añaden están el manganeso (Mn), el cromo (Cr), el níquel (Ni), el

vanadio (V) o el titanio (Ti). Por otro lado, en función del contenido de carbono presente en el acero, se tienen los siguientes grupos: I) Aceros de bajo carbono (%C < 0.25) II) Aceros de medio carbono (0.25 < %C < 0.55) III) Aceros de alto carbono (2 > %C > 0.55)

• Aceros aleados: aquellos en los que, además del carbono, al menos uno de sus otros elementos presentes en la aleación es igual o superior al valor límite dado en la tabla 1 de la UNE EN 10020:2001. A su vez este grupo se puede dividir en: I) Aceros de baja aleación (elementos aleantes < 5%) II) Aceros de alta aleación (elementos aleantes > 5%)

• Aceros inoxidables: son aquellos aceros que contienen un mínimo del 10.5% en Cromo y un máximo del 1.2% de Carbono. 2.2- Según la calidad A su vez, los anteriores tipos de aceros la norma UNE EN 10020:2001 los clasifica según la calidad del acero de la manera siguiente: • Aceros no aleados Los aceros no aleados según su calidad se dividen en: - Aceros no aleados de calidad: son aquellos que presentan características específicas en cuanto a su tenacidad, tamaño de grano, formabilidad, etc. - Aceros no aleados especiales: son aquellos que presentan una mayor pureza que los aceros de calidad, en especial en relación con el contenido de inclusiones no metálicas. Estos aceros son destinados a tratamientos de temple y revenido, caracterizándose por un buen comportamiento frente a estos tratamientos. Durante su fabricación se lleva a cabo bajo un control exhaustivo de su composición y condiciones de manufactura. Este proceso dota a estos tipos de acero de valores en su límite elástico o de templabilidad elevados, a la vez, que un buen comportamiento frente a la conformabilidad en frío, soldabilidad o tenacidad. • Aceros aleados

Los aceros aleados según su calidad se dividen en: - Aceros aleados de calidad: son aquellos que presentan buen comportamiento frente a la tenacidad, control de tamaño de grano o a la formabilidad. Estos aceros no se suelen destinar a tratamientos de temple y revenido, o al de temple superficial. Entre estos tipos de aceros se encuentran los siguientes: I) Aceros destinados a la construcción metálica, aparatos a presión o tubos, de grano fino y soldables; II) Aceros aleados para carriles, tablestacas y cuadros de entibación de minas; III) Aceros aleados para productos planos, laminados en caliente o frío, destinados a operaciones severas de conformación en frío; IV) Aceros cuyo único elemento de aleación sea el cobre; V) Aceros aleados para aplicaciones eléctricas, cuyos principales elementos de aleación son el Si, Al, y que cumplen los requisitos de inducción magnética, polarización o permeabilidad necesarios. - Aceros aleados especiales: son aquellos caracterizados por un control preciso de su composición química y de unas condiciones particulares de elaboración y control para asegurar unas propiedades mejoradas. Entre estos tipos de acero se encuentran los siguientes: I) Aceros aleados destinados a la construcción mecánica y aparatos de presión; II) Aceros para rodamientos; III) Aceros para herramientas; IV) Aceros rápidos; V) Otros aceros con características físicas especiales, como aceros con coeficiente de dilatación controlado, con resistencias eléctricas, etc.

• Aceros inoxidables Los aceros inoxidables según su calidad se dividen en: - Según su contenido en Níquel:

I) Aceros inoxidables con contenido en Ni < 2.5%; II) Aceros inoxidables con contenido en Ni ≥ 2.5%;

- Según sus características físicas: I) Aceros inoxidables resistentes a la corrosión; II) Aceros inoxidables con buena resistencia a la oxidación en caliente; III) Aceros inoxidables con buenas prestaciones frente a la fluencia. Por su aplicación Según el uso a que se quiera destinar, los aceros se pueden clasificar en los siguientes: • Aceros de construcción: este tipo de acero suele presentar buenas condiciones de soldabilidad; • Aceros de uso general: generalmente comercializado en estado bruto de laminación; • Aceros cementados: son aceros a los cuales se les ha sometido a un tratamiento termoquímico que le proporciona dureza a la pieza, aunque son aceros también frágiles (posibilidad de rotura por impacto). El proceso de cementación es un tratamiento termoquímico en el que se aporta carbono a la superficie de la pieza de acero mediante difusión, modificando su composición, impregnado la superficie y sometiéndola a continuación a un tratamiento térmico; • Aceros para temple y revenido: Mediante el tratamiento térmico del temple se persigue endurecer y aumentar la resistencia de los aceros. Para ello, se calienta el material a una temperatura ligeramente más elevada que la crítica y se somete a un enfriamiento más o menos rápido (según características de la pieza) con agua, aceite, etc. Por otro lado, el revenido se suele usar con las piezas que han sido sometidas previamente a un proceso de templado. El revenido disminuye la dureza y resistencia de los materiales, elimina las tensiones creadas en el temple y se mejora la tenacidad, dejando al acero con la dureza o resistencia deseada. Se distingue básicamente del temple en cuanto a temperatura máxima (unos 50° C menor que el templado) y velocidad de enfriamiento (se suele enfriar al aire). La estructura final conseguida es martensita revenida; • Aceros inoxidables o para usos especiales: loa aceros inoxidables son aquellos que presentan una aleación de hierro con un mínimo de 10% de cromo contenido en masa. El acero inoxidable es resistente a la corrosión, dado que el cromo, u otros metales que contiene, posee gran afinidad por el oxígeno y

reacciona con él formando una capa exterior pasivadora, evitando así la corrosión del hierro en capas interiores. Sin embargo, esta capa exterior protectora que se forma puede ser afectada por algunos ácidos, dando lugar a que el hierro sea atacado y oxidado por mecanismos intergranulares o picaduras generalizadas. Algunos tipos de acero inoxidable contienen además otros elementos aleantes, como puedan ser el níquel y el molibdeno; • Aceros para herramientas de corte y mecanizado: son aceros que presentan una alta dureza y resistencia al desgaste; • Aceros rápidos: son un tipo de acero especial para su uso como herramienta de corte para ser utilizados con elevadas velocidades de corte. Generalmente van a presentarse con aleaciones con elementos como el W, Mo y Mo-Co.

Definición y Clasificación de Tratamientos térmicos Se conoce como tratamiento térmico al conjunto de operaciones de calentamiento y enfriamiento, bajo condiciones controladas de temperatura, tiempo de permanencia, velocidad, presión, de los metales o las aleaciones en estado sólido, con el fin de mejorar sus propiedades mecánicas, especialmente la dureza, la resistencia y la elasticidad. Los materiales a los que se aplica el tratamiento térmico son, básicamente, el acero y la fundición, formados por hierro y carbono. También se aplican tratamientos térmicos diversos a los cerámicos. Los tratamientos térmicos han adquirido gran importancia en la industria en general, ya que con las constantes innovaciones se van requiriendo metales con mayores resistencias tanto al desgaste como a la tensión. Los principales tratamientos térmicos son: Temple: Su finalidad es aumentar la dureza y la resistencia del acero. Para ello, se calienta el acero a una temperatura ligeramente más elevada que la crítica superior Ac (entre 900950 °C) y se enfría luego más o menos rápidamente (según características de la pieza) en un medio como agua, aceite, etcétera. Revenido: Sólo se aplica a aceros previamente templados, para disminuir ligeramente los efectos del temple, conservando parte de la dureza y aumentar la tenacidad. El revenido consigue disminuir la dureza y resistencia de los aceros templados, se eliminan las tensiones creadas en el temple y se mejora la tenacidad, dejando al acero con la dureza o resistencia deseada. Se distingue básicamente del temple en cuanto a temperatura máxima y velocidad de enfriamiento. Recocido: Consiste básicamente en un calentamiento hasta la temperatura de austenización (800-925 °C) seguido de un enfriamiento lento. Con este tratamiento se logra aumentar la elasticidad, mientras que disminuye la dureza. También facilita el mecanizado de las piezas al homogeneizar la estructura, afinar el grano y ablandar el material, eliminando la acritud que produce el trabajo en frío y las tensiones internas.

Normalizado: Tiene por objetivo dejar un material en estado normal, es decir, ausencia de tensiones internas y con una distribución uniforme del carbono. Se suele emplear como tratamiento previo al temple y al revenido.

Tratamientos termoquímicos Los tratamientos termoquímicos son tratamientos térmicos en los que, además de los cambios en la estructura del acero, también se producen cambios en la composición química de la capa superficial, añadiendo diferentes productos químicos hasta una profundidad determinada. Estos tratamientos requieren el uso de calentamiento y enfriamiento controlados en atmósferas especiales. Entre los objetivos más comunes de estos tratamientos están aumentar la dureza superficial de las piezas dejando el núcleo más blando y tenaz, disminuir el rozamiento aumentando el poder lubrificante, aumentar la resistencia al desgaste, aumentar la resistencia a fatiga o aumentar la resistencia a la corrosión. Cementación (C): aumenta la dureza superficial de una pieza de acero dulce, aumentando la concentración de carbono en la superficie. Se consigue teniendo en cuenta el medio o atmósfera que envuelve el metal durante el calentamiento y enfriamiento. El tratamiento logra aumentar el contenido de carbono de la zona periférica, obteniéndose después, por medio de temples y revenidos, una gran dureza superficial, resistencia al desgaste y buena tenacidad en el núcleo. Nitruración (N): al igual que la cementación, aumenta la dureza superficial, aunque lo hace en mayor medida, incorporando nitrógeno en la composición de la superficie de la pieza. Se logra calentando el acero a temperaturas comprendidas entre 400 y 525 °C, dentro de una corriente de gas amoníaco, más nitrógeno. Cianuración (C+N): endurecimiento superficial de pequeñas piezas de acero. Se utilizan baños con cianuro, carbonato y cianato sódico. Se aplican temperaturas entre 760 y 950 °C. Carbonitruración (C+N): al igual que la cianuración, introduce carbono y nitrógeno en una capa superficial, pero con hidrocarburos como metano, etano o propano; amoníaco (NH3) y monóxido de carbono (CO). En el proceso se requieren temperaturas de 650 a 850 °C y es necesario realizar un temple y un revenido posterior. Sulfinización (S+N+C): aumenta la resistencia al desgaste por acción del azufre. El azufre se incorporó al metal por calentamiento a baja temperatura (565 °C) en un baño de sales. Conclusión: La forja es un proceso de manufactura muy importante ya que con el podemos dar forma y determinadas propiedades a los materiales. Cabe mencionar que en este proceso no existe desprendimiento de viruta por lo que hay un gran ahorro de material. La combinación del forjado con los tratamientos térmicos nos resulta un material con características especificas de forma, dureza y propiedades físicas, por lo cual

podemos realizar una pieza para una determinada tarea cumpliendo con los requerimientos de la misma. Teniendo en cuenta lo anterior, podemos concluir que la forja es un proceso no solo importante sino, necesario.