Propiedades y Procesos de Conformado de Metales

Estructura Fundamental de los Metales

Los metales están formados por átomos, los cuales se agrupan en cristales que, a su vez, se organizan en granos.

Los cristales presentan diversas formas geométricas; las más habituales son las redes cúbicas simples, las cúbicas centradas en el cuerpo (BCC) y las cúbicas centradas en las caras (FCC).

Los granos metálicos son agrupaciones de cristales con una forma irregular. Su tamaño es crucial, ya que depende del proceso de fabricación y determina directamente la calidad final del metal.

Deformación y Recristalización Metálica

Cuando se induce una deformación en los metales, se produce una ruptura de su estructura cristalina y granular.

La temperatura de recristalización es aquella a la cual, tras una deformación plástica, el metal es capaz de reestructurarse, formando nuevos cristales y granos alrededor de los ya fracturados. Esta temperatura varía según el tipo de metal y sus componentes.

Conformado en Caliente: Ventajas y Desventajas

Ventajas del Conformado en Caliente

Las ventajas de la utilización del calor en el conformado son:

• Se requiere menor esfuerzo para lograr la misma deformación.
• Al ser la deformación y la recristalización simultáneas, se obtiene un grano más fino, ausencia de tensiones residuales, mayor uniformidad estructural y materiales más dúctiles.
• Se consigue una estructura fibrosa que confiere mayor resistencia a los metales.

Desventajas del Conformado en Caliente

Los inconvenientes de este proceso incluyen:

• La superficie del metal puede quedar cubierta por una capa de óxido, lo cual puede ser perjudicial.
• El calentamiento de las piezas es un proceso costoso.
• El trabajo a altas temperaturas puede resultar complejo y peligroso.

Tensiones Internas por Conformado en Frío

Las tensiones internas en los metales se originan principalmente por los procesos de conformado en frío. Estas tensiones surgen al desplazar los cristales debido a la deformación, generando un esfuerzo de cizalladura que separa los cristales y fractura los granos.

Procesos Industriales de Conformado de Metales

Estirado

El estirado es un proceso de conformado que implica hacer pasar un material a través de un orificio de menor sección transversal, aplicando una fuerza de tracción para reducir su diámetro o espesor. Se emplea también para el calibrado y enderezado de metales.

Trefilado

El trefilado es una técnica específica utilizada para la fabricación de alambre. Es similar al estirado, pero permite obtener mayores reducciones de sección entre la entrada y la salida, y se aplica generalmente a materiales más finos.

Estirado de Enderezado

El estirado de enderezado consiste en sujetar el metal por sus extremos y aplicar una fuerza de tracción para enderezarlo y aumentar su acritud (endurecimiento por deformación). Esta técnica se emplea comúnmente después de la extrusión para rectificar el material, y también es utilizada en industrias que procesan material en rollos.

Extrusión

La extrusión es un proceso de conformado térmico que implica aplicar una presión considerable sobre un metal en estado plástico (previo a su fusión) para forzarlo a pasar a través de una matriz y que adquiera la forma deseada. Se utiliza ampliamente en la fabricación de perfilería de aluminio para carpintería metálica, entre otras aplicaciones.

Estampación

La estampación es un proceso industrial de deformación plástica que moldea metales, usualmente en forma de chapa, mediante el uso de dos matrices complementarias, también conocidas como estampas. Ambas matrices poseen la forma deseada: la superior se denomina martillo y la inferior, yunque.

Embutición

La embutición es un proceso industrial de deformación plástica que da forma a los metales utilizando una matriz y un punzón. La holgura entre estos elementos es crucial para permitir que el material fluya y adquiera la forma deseada. Se emplea principalmente para la fabricación de piezas huecas, como recipientes.

Equipo Básico de Embutición

El equipo básico para el proceso de embutición consta de los siguientes componentes:

• Un horno, para calentar la chapa.
• Una matriz (abierta o cerrada), que define la forma exterior de la pieza a fabricar.
• Un pisador, que previene el arrugamiento de la chapa, evita que se adhiera al punzón y facilita la fluencia del metal.
• Un punzón, encargado de empujar la chapa hacia el interior de la matriz.
• Una prensa (excéntrica o hidráulica), que acciona todo el proceso.

Forja

La forja es un proceso de conformado que se aplica a una pieza mediante presión o golpeteo. El material base suelen ser tochos. Se distingue entre la forja artesanal y la forja industrial.

Equipo Básico para Forja Artesanal

El equipo básico para la forja artesanal incluye:

• La fragua, utilizada para calentar el metal mediante la combustión de carbón mineral, al cual se le inyecta aire para avivar la llama.
• El martillo, empleado para golpear los metales una vez que alcanzan la temperatura óptima.
• El yunque, que sirve como superficie de apoyo para el proceso de forja.

Ventajas de la Forja

Las ventajas de la forja frente a otros procesos de conformado son:

• Afinado del grano: Se produce al trabajar por golpeteo a una temperatura superior a la de recristalización, lo cual no ocurre con la prensa.
• Orientación de la fibra: Mejora considerablemente la resistencia de las piezas si se aprovecha su dirección.

Laminación

La laminación es un proceso de conformado plástico que moldea los metales haciéndolos pasar entre rodillos sucesivos que reducen progresivamente su espesor o sección hasta alcanzar la forma definitiva.

La laminación es un proceso fundamental para la fabricación de perfiles normalizados y el método principal para la producción de chapa metálica.

Antes de la laminación, el metal se calienta en las propias acerías, aprovechando el calor residual de los tochos, lingotes o palanquillas que provienen directamente de la fundición.

Las chapas producidas por laminación en caliente se caracterizan por estar cubiertas por una capa de óxido, razón por la cual se les denomina chapa negra. A partir de un determinado espesor, las chapas pueden ser sometidas a laminación en frío, proceso en el cual esta capa de óxido desaparece y se aplica lubricación con aceites para facilitar su manipulación. Su aspecto brillante y engrasado les confiere el nombre de chapa blanca.

Deformación Térmica y Calentamiento de Contracción

Dilatación y Contracción Térmica

Los metales poseen una propiedad fundamental conocida como dilatación térmica. Si una barra de metal, libre de restricciones, se calienta, esta se dilatará, es decir, incrementará su volumen. Por el contrario, al enfriarse, se contraerá, disminuyendo su volumen y retornando a su estado original.

Si se impide el alargamiento de una barra de metal en una dirección específica, al calentarla intentará expandirse, pero al no poder hacerlo en esa dirección, lo hará en las otras dos, aumentando su volumen y provocando que la barra se «hinche». Al enfriarse, la barra no tiene restricciones para contraerse en ninguna dirección, por lo que recuperará su longitud original.

Aplicación de Calor para Deformación

Es posible deformar un metal aplicando calor de manera localizada y controlada. Mediante este procedimiento, se pueden enderezar piezas deformadas (por ejemplo, por soldadura) o conformar chapas y perfiles.

Reglas para el Calentamiento de Contracción

Las reglas fundamentales para conformar una pieza mediante calentamiento de contracción son:

• El calentamiento debe ser rápido.
• El metal debe alcanzar rápidamente el estado plástico.
• El calentamiento debe aplicarse en una zona muy localizada.
• Se debe elegir cuidadosamente la forma y dimensiones de la zona a calentar.
• Es necesario enfriar la zona entre calentamientos.
• No se debe calentar dos veces en el mismo punto.

Métodos de Calentamiento y Enfriamiento

Para el calentamiento localizado de una pieza, la llama oxiacetilénica es preferible a otras fuentes de calor debido a su elevado poder calorífico y la precisión que permite en la zona calentada.

El enfriamiento de la zona calentada, con el fin de acelerar la deformación, puede realizarse con aire comprimido, un trapo húmedo o agua. Sin embargo, las piezas de gran espesor no deben enfriarse de esta manera, ya que el enfriamiento no sería uniforme, no aceleraría significativamente la deformación y podría provocar importantes tensiones internas.