Conformat de materials metàl·lics: procés, propietats i aplicacions

Conformat de materials metàl·lics: procés, propietats i aplicacions

Conformat de materials metàl·lics - X materials dúctils, geometries primes (làmines i films): deformacions plàstiques. - X materials amb baixa T de fusió, x geometries complexes: emmotllaments. - X alta precisió: pulvimetal·lúrgia, mecanitzat. Com efecte el tipus de procés a les prop.: - Deformació plàstica: canvis en la microest. - Fusió i emmotllament: microest. unif. Normalment hi ha una combinació de processos, no es tria un de sol.. Quan la mat. primera és un líquid, el procés més adient és a fusió i emmotllament, ja que podem fondre metalls, abocar-los dins d’un motlle, refredar-los, desemmotllar-los i obtenir el comp. final.. Quan la mat. primera és pols, el procés adient és la pulvimet., ja que obtenim pols l’aboquem en un motlle, compactem, i amb la T del procés inferior a la de fusió obtenim el material final.. Quan la mat. primera està en estat sòlid com a preformes, el procés adient és el conformat de: - Forja x esforços de compressió. - Laminat: x esforços de compressió amb corrons. - Extrusió: x esforços de compressió posteriors. - Trefilat: x esforços de tracció. La Tº de treball és inferior a la T de fusió, i podem treballar tant en calent com en fred. FUSIÓ I EMMOTLLAMENT A partir de líquid. Procés senzill, de perfils complexos 1 sola etapa, dimensions del comp. molt variables. Els aliatges que es conformen x fusió són ferros colats, acers, aluminis, bronzes, llautons, magnesi ... El procés de solidific. es produeix en dues etapes: nucleació i creixement dels nuclis. El canvi de fase ve donat x la dismin. de l’energia lliure, G. Tipus de solidific.: -El líquid és més fred que el sòlid accelera la solidific, intercara dendrítica, afavoreix segregació, solidific. típica d’aliatges, baixes V. de refredament. El creixement dendrític el líquid està subrefredat i el sòlid està a una T superior a la T de fusió, el calor latent de fusió s’elimina a través del líquid, la interfase sol·lida del gra avança en el mateix sentit, el creixement s’atura quan el líq. arriba a la seva T de fusió. ETAPES PROCÉS: 1) Construcció d’un model que és un comp. sobre dimensionat, amb contraccions, reforços i despulles. Cal evitar contracció de solidific., variació de la comp., porositat i falta d’omplerta. 2) Fusió del metall, aportar energia x arribar a la T abocament que és superior a la de fusió, aquesta energia s’haurà de dissipar després pel motlle. 3) Abocament del metall líquid, V. ni massa lenta perquè no hi hagi una solidific. precoç, ni massa ràpida perquè no hi hagi turbulències. Hem de tenir en compte la diferència de T entre el motlle i el líquid, la V. del líquid en l’entrada i dins del motlle, i l’aparició de turbulències. - Motlle no permannt: SORRA: motlle d’un sol ús. Procés lent x refredar i estabilitzar. Potenciem la formació de cristalls en comptes de la nucleació. Més tenaç, dur i mal·leable, però menys resistent. Gran volum i gra gros. La sorra ha de ser especial i compacte, es necessiten additius x mantenir la cohesió. Procés colada a P atm. Es necessiten accions posterior x acabar d’aconseguir la peça. Temps de procés molt més llarg. Motlle permeable als gasos, fluència del líquid x gravetat. S’utilitza x sèries curtes, prototips, peces grans i és un procés automatitzable. Motlle a la cera perduda o microfusió: model i motlle no permanent. El model es construeix en cera. S’uneixen varis conjunts i s’introdueixen en un bany ceràmic. A T elevades s’elimina la cera del model i a més T eliminem la cascara ceràmica externa. Volem un metall i x vibracions destruïm el motlle ceràmic i obtenim la peça metàl·lica. Acabem aplicant tract. sup., x un procés acabat. V. de refredament alta, procés ràpid i x peces petites en volum. Es fa a P atm. Hi ha llibertat de disseny, reprodueix parts complexes amb cavitats. Amplia selecció d’aliatges. Cost de producció i mecanitzat menor. Flexibilitat en la producció.

 - Motlle d’escuma: model i motlle no permanent. Tenim un motlle i a dins un model. Compactem entre ells amb sorra. Fonem el metall, i un cop solidificat, eliminem el motlle. Depèn de la V.. Si el motlle es pot tornar a fer servir o es destrueix al ser utilitzat. El model és permanent o no: forma inicial en la que construïm el motlle. El procés de solidificació es produeix en dues etapes: nucleació i creixement dels nuclis. El canvi de fase ve donat x la disminució de l’energia lliure, G. Tipus de solidificació: - El sòlid és més fred que el líquid, hi ha bona transferència de calor sòlid -líquid, intercara plana, no hi ha segregació, i la solidificació és bona. - Motlle permanent: coquilla: x gra fi, x tant dur i resistent. Motlle metàllic, bon conductor, V. de refredament elevada, potenciar la nucleació. Solidificació molt ràpida, introducció del líquid ràpid. Poden fabricar-se motlles semi permanents. Ideal x a grans series de producció. comp.s amb dimensions més controlades. Fluència del líquid x gravetat i x pressió. Cal bona distribució de volums i canals d’evacuació de gasos. Metalls amb T de fusió moderades. Limitacions de geometria. Risc de degradació del motlle pel contacte amb metall calent. ·Fluència x gravetat: omplerta x desplaçament lent i progressiu del metall líquid. Cal incloure massalotes al disseny del sistema colada. Acabat sup. pobre i risc de defectes. Tº del metall molt més elevades que x a la fusió x gravetat. ·Fluència a pressió: comp.s de precisió molt elevada. comp.s amb olt bon acabat sup.. Geometries més complexes. Cal una relació superfície/volum molt elevada. No cal massalotes. · Injecció al buit: metall succionat, baixa porositat, possibilitat d’obtenir comp.s amb seccions reduïdes. No cal massalotes. - Motlle permanent: emmotllament a baixa pressió: conservació de detalls, bons acabats, comp.s de qualitat. - Motlle permanent: injecció (emmotllament a pressió elevada): conservació de detalls, bons acabats, precisió dimensional. Elevat ritme de producció, materials de baix punt de fusió. - Motlle permanent: emmotllament centrífug: Pe peces foradades o cilíndriques. PROCESSOS HÍBRIDS: Combinar procés amb metall líquid + procés de deformació plàstica. - SQUEEZE CASTING: forja de metall líquid. Solidificació dins d’una matriu sota l’acció d’una eina. Ràpida transferència de calor. Components sense porus i amb mida de gra fina. Geometries quasi perfectes. Perfils senzills. No hi ha volums perduts. - RHEOCASTING: Conformat semi-sòlid. Microestructura no dendrítica. Solidificació a T intermitja. Conformat per deformació plàstica del semi-sòlid. Aliatges d’alumini per aplicacions delicades. Els avantatges del procés de fusió i emmotllament: podem fer formes complexes, components voluminosos, microestructura homogènia, procés econòmic, es pot conformar qualsevol metall, es pot adaptar a processos massius. Els desavantatges: Propietats mecàniques limitades, microestructures no orientades, baixa precisió dimensional, acabat pobre, existència de riscos en el procés, limitacions en la T Els desavantatges dels motlles metàl·lics: omplerta incompleta, juntes fredes, grànuls freds, cavitat per contracció, microporositat, esquerdament calent. Els desavantatges dels motlles de sorra: sopladures, punts d’agulla, caigudes de sorra, penetració, desplaçament de les meitats del motlle.  

 DEFROMACIÓ PLÀSTICA La matèria primera està en forma de productes semielaborats, fem una deformació plàstica massiva, i obtenim material treballat per a processos posteriors o ja productes finals. La capacitat de deformació d’un material depèn de la resistència del material, del grau de reducció, de la fricció, de la temperatura i de la velocitat de deformació. Influència del mòdul elàstic: en suspendre un acció de les forces externes, es produeix una recuperació elàstica del material més gran com menor sigui E. - Processos en fred: acumulació d’energia, densitat de dislocacions i acritud, cal superar aquest increment en la resistència del material, tensions elevades. Coeficient d’enduriment per deformació, esforços grans, estructures orientades, acabats nets. Microestructura no orientada. - Processos en “tebi”: rearranjament de dislocacions, comportament similar a gra més fi però sense dislocacions, lleuger estovament, - Processos en calent: creació de nous cristalls, cristalls no orientats, deformació inicial de a microestructura, recristal·lització immediata, microestructura fina i no orientada. Esforços petits, acabats pobres, vida curta de les eines. Efecte de la fricció: resta efectivitat a la tensió aplicada, redueix la vida de les eines, afavoreix l’existència de tensions residuals, molt superior en calent. Utilització de lubricants. - Forja: forma final, premsat o martelleig. Peces grans i petites. Calent o fred. Estructura orienta, fibres. Tenim forja lliure (prototips, sèries curtes, nivells de procucció baixos, toleràncies petites), forja tancada (grans sèries, eliminació rebava, eines costoses, bon control dimensional), forja de boles o cabotes, les eines necessàries són martells o premses. Els defectes són que hi ha fissures superficials, de rebava, de refredament i plecs. - Laminació: compressió en continu, acció de corrons, laminació de preformes en calent i laminació de components en fred. Els equipament necessaris són caixes de laminació amb amplada constant i en calent. Els defectes són que es necessita un control molt acurat i cal evitar interacció corrons-material. - Extrusió: fluència a través d’un broquet. Pressions molt elevades, deformacions molt grans. Pot ser directa, indirecta, mixta. Es necessiten premses verticals o premses horitzontals. Els defectes són lubricació a broquet, fissures, microestructura no homogènia, fricció superficial. - Trefilat: tracció a través d’un broquet, producte endurit, nomes pot realitzar-se en fred, fabricació de productes llargs. - Hydroforming: possibilitat de conformar components buits, absorbidors d’energia, utilització de fluids a pressió, contenció del volum deformat per les parets, obtenció d’un producte net i sense limitacions de forma. PULVIMETAL·LÚRGIA Etapes: 1)obtenció de pols. 2)abocament de pols en un motlle. 3) Compactació-sinterització. 4)temperatura de procés inferior a temperatura de fusió. OBTENCIÓ DE POLS: : per reducció química o precipitació, per electròlisi, per trituració o a partir de líquid solidificat, atomització ·Atomització: el metall fos és fragmentat en gotes mitjançant un corrent de líquid o gas a elevada velocitat que impacta sobre el metall, les gotes refreden ràpidament. La velocitat d’impacte del fluid afecta a la mida de la partícula. ·Procés mecànic: es fragmenta la matèria primera fins que queda reduïda a la mida desitjada, mitjançant l’aplicació d’un esforç, normalment s’utilitzen molins de boles. S’utilitza per triturar ceràmiques, metalls molt fràgils. Hi ha riscs de contaminació de les pólvores i el temps de processat és molt lent. · Reducció química: reducció d’un metall a partir de l’òxid. · També es pot obtenir pols per precipitació del metall a partir d’una sal del metall dissolta.

 · Electròlisi: l’ànode es dissol lentament per l’acció del voltatge aplicat i es diposita al càtode, en forma de pols d’alta puresa. CARACTERÍSTIQUES: Dimensions equivalents, distribució de grandàries, morfologia esfèrica. Les pólvores han de garantir una bona distribució de partícules per obtenir la màxima compactació amb cost mínim, no aglomerar-se, formes equiaxials, mida mitjana inferior. Les propietats del component final són funció de les de les pólvores de partida. La mida i la distribució de partícules varia molt en funció del procés d’obtenció, és important el factor d’empaquetament, la forma de les partícules depèn del mètode de fabricació, l’àrea superficial és un paràmetre clau, les mides petites i quasi esfèriques donen millors propietats, les grans i no arrodonides tenen tendència a afavorir el procés d’oxidació. La fricció afecta a la disposició de la pols per fluir i compactar-se, l’angle de fricció és l’angle de repòs de les pólvores, angles grans friccions elevades, els diàmetres petits tenen major fricció i les formes esfèriques la disminueixen, el flux és important durant l’abocament de la pols i l’omplerta del motlle. La composició, les pólvores metàl·liques son normalment metalls purs i prealeats, les pel·lícules superficials s’han d’eliminar, PREPARACIÓ DE LA POLS: homogeneïtzar la distribució, mesclar. Etapa en que s’afe

geixen els additius com lubricants. És l’etapa prèvia a la compactació de les pólvores. Pot realitzar-se entre pols d’igual composició química i mida diferent o bé entre pols de diferent composició. Mitjançant la combinació es poden elaborar aliatges que serien molt difícil aconseguir per altres mitjans. Els dos processos es realitzen mitjançant medis mecànics. ABOCAMENT DINS DEL MOTLLE: 1) Compactació per vibracions quan distribuïm la pols al motlle, densificació i increment de contacte entre partícules. Compactació per premsat mecànic, al buit o atmosfera controlada. En els dos s’aplica alta pressió per donar forma requerida a la pols, la compactació es fa amb premses que empaqueten la pols, redueixen l’espai entre partícules i augmenten els punts de contacte entre partícules i deformen plàsticament les partícules i contacte amb noves partícules. La peça veda té una densitat volumètrica molt superior a la inicial, té prou resistència però no tanta com la que mostrari una peça sinteritzada. 2) Sinteritzat és l’escalfament de la peça compactada, unió de partícules per difusió en estat sòlid. Premsat isostàtic: compactat multidireccional de les pólvores dins un motlle flexible, pot realitzar.se en fred o en calent. En fred, densitat més uniforme, equips menys costosos, baixes produccions, difícil control dimensional, operacions acabat finals. En calent, alta pressió i T, gas de compressió, motlle laminat metàl·lic, procés costos, components de responsabilitat. 

MAT. CERÀMICS I VIDRES. Els materials ceràmics són comp. químics o solucions complexes que contenen elements metàl·lics i no metàl·lics. Tenen enllaços iònics i covalents, són durs, fràgils (la presència de ions carregats en la seva estructura imposa restriccions al nombre de plans de lliscament), i amb elevades T de fusió. Presenten baixa cond. tèrmica i elèctrica i bona estabilitat química. Poden presentar estructura cristal·lina i no cristal·lina, amorfa. *Enllaç iònic quan un element cedeix electrons i queda electropositiu i un altre els accepta i queda electronegatiu. Enllaç covalent quan compateixen els electrons. CLASIFICACIÓ EN: - Ceràmiques tradicionals com argila, refractors, abrasius i ciments. Gran puresa en la matèria primera. - Ceràmiques tecnològiques x aplicacions especials, eines de tall, abrasius, òptiques, sensors. Gran porositat acceptada en la peça feta. - Vidres que poden ser transparents, poden formar envasos, utilitzar-se en l’òptica, en finestres... ESTRUCTURA: - Cristal·lina quan tenim enllaç covalent i iònic i estructures ordenades. - Amorfa quan tenim enllaç covalent i estructura desordenada. - Situacions intermèdies. CARACTERÍSTIQUES APTES: Prop. mecàniques com baixa densitat, alta resistència mecànica, alt mòdul elàstic (rigidesa), baixa expansió tèrmica, baixa conductivitat, són durs gràcies als enllaços covalents, resistència al desgast (eines de tall i abrasius), resistència a la T, estabilitat química (envasos, refectoris de forns). CARACT.S LIMITANTS: alta T fusió (Conformat x fusió: vidres fins a 1400ºC i varietat de formes finals: Conformat x compactació de pols: limitacions en les formes finals, no limitacions en la T de fusió, sinterització, components amb porositat controlada.), alta fragilitat, baixa dilatació tèrmica, rigidesa elevada, fissures o fractures x tensions superficials. PROCESSOS DE CONFORMAT: No es conformen des de l’estat fos perquè durant la solidificació podrien fracturar-se i es necessitarien equips que poguessin suportar T de treball molt altes pel seu punt de fusió. La tècnica més utilitzada és el conformat de pols + sinterització. - Conformat hidroplàstic: Extrusió x les totxanes i compressió x teules i productes de terrissa. Amb aigua generem una peça amb molta ductilitat que podem deformar plàsticament de manera fàcil. - Conformat en barbotina x porcellana sanitària i productes de terrissa. El motlle de escaiola és porós i va absorbint l’aigua de l’argila. Si volem una peça foradada x dins, vertim l’argila que no s’ha assecat, la de l’interior, fora del motlle. Una vegada treiem el motlle de la peça, hem de col·locar-la al forn perquè segueix sent fràgil i dèbil. Tota la línia blanca es crea amb aquest mètode. BARBOTINA: motlle de ceràmica generat amb una barreja d’argila i aigua. - Conformat x sinteritzat: es calenta la peça compactada durant un temps determinat a una T inferior a la de fusió. L’elevada T provoca la soldadura de les partícules i la difusió dels elements. - Abrasius: combinació de duresa i tenacitat x obtenir una resistència al desgast. Resistències a altes T i caràcter refractari. Es poden utilitzar de formes diverses, adherits a substrats, en revestiments, amb pols en suspensió, en components. - Refractaris: tenen la capacitat de suportar T elevades, són inerts i aïllants, tenen porositat i utilitzen àcids o bàsics en funció del tipo d’escòria de metalls fosos amb els que hagin d’estar en contacte. - Ciments: es barregen amb aigua x endurir-se x hidratació no x secat. Hi ha la possibilitat de que es puguin obtenir de formes complexes. NUEVOS CERÀMICOS: Són materials amb microestructura fina, sense porositat, amb elevada residència mecànica específica a T altes i valors de tenacitat de fractura relativament alts. Són combinacions excepcionals de baixa conductivitat elèctrica i alta conductivitat tèrmica. 

CARACTERÍSTIQUES: Augment de la tenacitat per transformació al·lotròpica. Tenacitat a fractura: determina la fissura crítica per ultrasons. Conductivitat tèrmica baixa, existeixen gradients de temperatura, de dilatació i contracció i tensions internes que provoquen fissures en el material. Els materials d’òxids són menys costosos i més fàcils detracar que els carburs i els nitrurs. Aquest últims ofereixen millors propietats mecàniques i d’estabilitat tèrmica. APLICACIONS: Alúmina d’alta residència per aplicacions d’alta T. Rotors de motors de turbines. CONFORMAT: - Compactació en fred: peça verda més cocció, és un procés convencional sense sinteritzat. - Compactació isostàtica: El motlle és mòbil i s’aplica pressió en totes les direccions mitjançant un fluid líquid o gas. - Compactació en calent: El sinteritzat es realitza juntament amb la compactació. S’obtenen densitats més elevades. Procés costos, ideal per components de responsabilitat. - Processos de bisturí: S’utilitza per fer làmines primes de ceràmiques. La pasta ceràmica s’introdueix dins d’una pel·lícula portadora mòbil. El gruix del ceràmic es determina amb un bisturí. Quan s’asseca s’obté una cinta verda que es pot processar abans de la cocció. - Cementació: Compactació de ceràmiques en pols i addició de metalls. El component final no té porositat, però és dur i conductor. Serveix per eines de tall i mecanitzat. - Extrusió i injecció de ceràmics: Ús de polímer fluid que actua com lligant i que dona consistència a la peça verda. Abans del sinteritzat s’elimina l’aglutinant amb TT o solvents. VIDRES: Són materials no cristal·lins que tenen estructura amorfa i transparent si es refreden ràpid i el material ho permet, si es refreden lentament es tenen sòlids parcialment cristal·litzats amb estructura ordenada i propietats diferents.. No fonen. Es refreden des de l’estat líquid. CARACTERÍSTIQUES: Són molt econòmics, abundants i fàcils d’obtenir. Transparents i atractius estèticament. Reutilitzables i reciclables. Químicament estables adequats per envasos. Hermètics. Conformats per fusió i emmotllament. No conductors. El més comú és el vidre de silici: És molt transparent i car, punt de fusió molt alt, a T inferiors es generen bombolles i no serà totalment transparent i s’utilitza per aplicacions temporals. - Vidre de Sosa-cal: molt econòmic. Utilitzat en finestres i envasos en grans volums. Baixa resistència al xoc tèrmic i poc resistent mecànicament. - Vidre de Borosilicat: Molt resistent químicament, baix coeficient de dilatació tèrmica i no presenta xoc tèrmic. - Vidre al plom: vidres òptics molt transparents amb elevat índex de refracció, absorbeixen radiacions, es poden gravar. - Vitroceràmiques: afavoreixen la generació de cristalls, combinació de les millors propietats dels vidres i dels materials cristal·lins, resistència al xoc tèrmic extremadament elevada. - Fibra òptica: nucli amb índex de refracció molt superior al de la pell.