INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA
Y ELÉCTRICA
INGENIERÍA DE
MANUFACTURA I
REPORTE DE LABORATORIO DE FORJA:
VISITA AL LABORATORIO
PROFESOR TITULAR:
GERARDO BARRERA LÓPEZ
PROFESOR AUXILIAR:
JOSÉ EMMANUEL BONILLA RODRÍGUEZ
PRESENTA: DAVID VILCHIS ANDRADE DAVID
GRUPO: 6MM4
ÍNDICE
OBJETIVO ... 2
ANTECEDENTES... 2
ORIGENES ... 2
LA FORJA EN LA ACTUALIDAD ... 3
CROQUIS DEL LABORATORIO DE FORJA Y T.T... 4
MAQUINARIA DEL LABORATORIO DE FORJA Y T.T. ... 6
DESARROLLO ... 11
DEFINICION DE ACERO: ... 11
CLASIFICACION DE ACERO: ... 11
DEFINICION DE FORJA: ... 13
CLASIFICACION DE LOS PROCESOS DE FORJADO ... 13
DEFINICION DE TRATAMIENTOS TÉRMICOS ... 14
CLASIFICACION DE TRATAMIENTOS TÉRMICOS ... 14
OBJETIVO
Reconocer las instalaciones del laboratorio de forja y tratamientos térmicos, identificando la maquinaria que forma parte del mismo, así también los hornos y herramientas con las que cuenta; observar la distribución del laboratorio y realizar un croquis del mismo.
ANTECEDENTES
ORIGENES
Las evidencias más tempranas del trabajo del hombre co metales se remonta aproximadamente al año 4500 a.C. en Mesopotamia, lugar en el que habitaban los sumerios. En Egipto fueron descritos por arqueólogos utensilios de hierro que datan de los años 3000 a.C. aproximadamente; hacia el año 1000 a.C. en Grecia ya se conocía una técnica para endurecer armas de hierro mediante tratamiento térmico.
Los forjadores golpeaban con maza y martillo la masa de hierro que se producía en las “ferrerías de viento”, entonces estas eran forjadas hasta obtener tochos. Hasta la edad media el hierro era calentado en fraguas y este material era empleado para fabricar armas y pequeños utensilios. Se utilizaban fraguas y fuelles para controlar la combustión del carbón vegetal y calentar el hierro. También se desarrollaron diversas herramientas como tenazas y yunques para el manejo de los metales y la forja en sí. La forja entonces era empleada para fabricar
herramientas, aparatos de labranza, herrajes, rejas, anclas etc. A partir del siglo XIII se utilizaban técnicas de estirado y forjado con la aplicación de martinetes. Se tenía también la idea de laminar metales haciéndolos pasar entre dos cilindros, girando cada uno de ellos en sentido contrario.
Durante el siglo XIV se fabricaban hornos más grandes, estas forzaban el paso de los gases de combustión debido a la mezcla de materias primas. En estos hornos el mineral de hierro que quedaba en la parte superior se reducía a hierro metálico, y debido los gasees
Ilustración 1. Forja en la edad media
Ilustración 2. Laminadora antigua de bronce y hierro
que lo atravesaban, este absorbía más carbono. El producto de este tipo de hornos era el arrabio, mismo que se refinaba después para fabricar acero.
En 1800 con la aplicación de la máquina de vapor, se construyeron laminadoras de mayor potencia. En 1840 François Bourdon, François cave y James Nasmyth, pusieron en funcionamiento martillos pilones accionados a vapor. En 1875, el forjado en caliente evolucionó con el desarrollo de martillos de ballesta, construidos con mazas de 25 a 250 kg.
LA FORJA EN LA ACTUALIDAD
Desde principios del siglo XX se han usado de forma común los martillos de caída libre, que están compuestos de dos rodillos de fricción que sujetan una tabla o correa plana que va unida a la maza de forjar. Al abrirse los rodillos que presionan la tabla mencionada se consigue la caída automática de la maza.
Esta máquina de forja es apropiada para realizar con precisión partes utilizadas en la industria automotriz, en la fabricación de ferrocarriles, aeronáutica, herramientas de mano, entre otras.
Si bien alguno de los inconvenientes que presenta es que no todas las piezas deseadas pueden ser forjadas con esta máquina, por lo general se fabrican piezas grandes.
En la actualidad la forja es utilizada en diversas áreas, puede hablarse de la forja artesanal que es común encontrarla como ornamento en herrerías domésticas, estantes, parques, edificios, etc. Su característica principal es el modo de llevarla a cabo, no siempre requiere de grandes máquinas para llevarse a cabo. Por otro lado tenemos la forja más industrializada que se emplea en fabricar materiales de alta resistencia cuyos requerimientos están determinados por el uso industrial que se les dé, estos usos pueden ser automotrices, estructurales o para construcción de edificios, elaboración de refacciones o piezas mecánicas, entre otros. La forja industrial tiene la particularidad de ser trabajada con máquinas de grandes dimensiones además de que el hombre también se involucra en el proceso y el control en las temperaturas, fuerzas y tiempos en que se lleva a cabo el proceso de forjado son
medidos para obtener resultados óptimos. Ilustración 3. Martillo de
caída libre
1 Tina de enfriamiento para tratamientos térmicos
2 Tina de enfriamiento para tratamientos térmicos (2)
3 Tina de enfriamiento para tratamientos térmicos (3)
4 Horno eléctrico de piso
5 Horno eléctrico de lecho fluidizado
6 Horno
7 Horno (2)
8 Horno (3)
9 Horno tipo crisol para tratamientos térmicos
10 Horno de gas tipo cámara
11 Estampadora
12 Prensa
13 Martillo de caída libre
14 Martinete hidráulico
15 Martinete hidráulico (2)
16 Fragua
17 Yunque
18 Horno eléctrico de laboratorio o mufla
19 Horno eléctrico de laboratorio o mufla(2)
20 Pinzas de forjado
21 Roladora
22 Troqueladora
MAQUINARIA DEL LABORATORIO DE FORJA Y T.T.
1.
Tina de enfriamiento para tratamientos térmicos:
Tina empleada para sumergir piezas calientes y enfriarlas con agua, aceite o salmuera, dependiendo del tratamiento térmico que se lleve a cabo y del material que se esté trabajando
2.
Tina de enfriamiento para tratamientos térmicos (2):
Esta tina es utilizada para el enfriamiento de piezas calientes con sales de cianuro, es empleada para realizar procesos de cianurado, además de que su temperatura se puede regular gracias a que posee resistencias eléctricas.
3.
Tina de enfriamiento para tratamientos térmicos (3):
Al igual que las anteriores, esta sirve para enfriar piezas, sin embargo esta tina es usada con nitratos para la realización de nitrurados, la temperatura de la tina se regula con el agitador y los serpentines que posee.
4.
Horno eléctrico de piso:
Su función radica en calentar material, su temperatura máxima es de 300°C, está recubierto con ladrillo refractario para mantener el calor y evitar las fugas de temperatura.
5.
Horno eléctrico de lecho fluidizado:
Se emplea para calentar material y su temperatura máxima es de 1000 °C, cuenta con resistencias eléctricas que sirven para aumentar su temperatura.
6.
Horno:
Su función es calentar material y su temperatura máxima de trabajo es de 600°C
7.
Horno (2):
Del mismo modo que el horno antes mencionado ese trabaja a una temperatura máxima de 600°C
8.
Horno (3):
A diferencia de los dos anteriores, este horno trabaja a una temperatura máxima de 1600°C, cuenta con un pirómetro para medir su temperatura
9.
Horno tipo crisol para tratamientos térmicos:
Este horno cuenta con un tiro forzado, un “ventilador” que inyecta aire al horno para que la llama caliente homogéneamente, alcanza una temperatura máxima de 1300°C
10.
Horno de gas tipo cámara:
Cuenta con perillas para regular el gas. Un carro para trasladar el material, está recubierto con ladrillo refractario y cuenta con un tiro forzado. Su temperatura máxima es de 2000 °C
11
Estampadora:
Forja por impacto, en esta máquina se regula la carrera del ariete, e impacta con una fuerza de 3000kN, para trabajarla se requiere de moldes, troqueles y dados de impresión.
Prensa:
En esta máquina se regula la presión que se ejerce sobre el material, la fuerza con la que impacta es de 45 toneladas
13.
Martillo de caída libre:
Esta máquina también realiza un trabajo de forja por impacto, se regula de igual forma la carrera del ariete y desarrolla una fuerza total de 50 toneladas.
14.
Martinete hidráulico:
Desarrolla un trabajo de impacto, con una velocidad de 140 golpes por minuto, con una fuerza de 1 tonelada
15.
Martinete hidráulico (2):
Este martinete golpea con una velocidad de 180 impactos por minuto y una fuerza de media tonelada.
16.
Fragua:
Se utiliza para calentar carbón mineral, carbón de piedra o coque, alcanza temperaturas de entre 1400 a 1500°C, el carbón mineral presenta la ventaja de que se consume lentamente.
17.
Yunque:
Es el soporte para trabajar el material para forjar
18.
Horno eléctrico de laboratorio o mufla:
Su función es calentar piezas o material requerido, alcanza una temperatura de 1300°C
19.
Horno eléctrico de laboratorio o mufla (2):
Este horno alcanza una temperatura de 1200°C
20.
Pinzas de forjado:
Herramienta utilizada para la manipulación de materiales durante el proceso de forja
21.
Roladora:
Máquina empleada para transformar el material y hacer láminas de determinado espesor.
22.
Troqueladora:
Máquina que sirve para realizar agujeros o cortar en formas determinadas sobre una placa de metal.
23.
Horno de gas para tratamientos térmicos:
Horno utilizado para realizar diversos tratamientos, tiene un alcance de 1200°C
DESARROLLO
DEFINICION DE ACERO:
El acero es un material compuesto por hierro y carbono en diversas proporciones que dependiendo del tratamiento térmico al que se someta y la cantidad de carbono que lo integre será la dureza y resistencia del mismo.
Etimológicamente la palabra acero proviene del latín aciarium, que proviene de acies cuyo significado es “filo”. Por ello la asociación de esta palabra a las armas blancas (como las espadas), y al temple y corte de estas.
CLASIFICACION DE ACERO:
El acero se puede clasificar en función a diversos factores, de acuerdo al porcentaje de carbono, se clasifica de la siguiente manera:
∙ Acero al alto carbono: Se le llama así al acero que contiene más del 0.5 por ciento de carbono
∙ Acero al bajo carbono: En esta clase entra el acero con un contenido con menos del 0.3 por ciento de carbono
∙ Acero al medio carbono: Se le llama así al carbono que tiene entre 0.3 y 0.5 por ciento de carbono
Enfocándonos aún en al contenido del carbono y relacionando la dureza la siguiente clasificación queda como sigue:
∙ Aceros extra-suaves: En estos aceros el carbono varía entre el 0.1 y el 0.2 por ciento y tiene una resistencia de 38 a 48 kg/mm2
∙ Aceros suaves: El contenido de carbono en estos es de 0.2 a 0.3 por ciento y su resistencia oscila entre los 48 y 55 kg/mm2
∙ Aceros semisuaves: El contenido de carbono en estos es de 0.4 al 0.5 por ciento y su resistencia es de entre 55 y 62 kg/mm2
∙ Aceros semiduros: El carbono está presente entre los 0.4 y 0.5 por ciento su resistencia aumenta de 62 a 70 kg/mm2
∙ Aceros duros: la presencia de carbono varía entre 0.5 y 0.6 por ciento y tienen una resistencia de 70 a 75 kg/mm2
∙ Aceros extramuros: El contenido de carbono que presentan esta entre el 0.6 y el 07 % y tienen una resistencia de 75 a 80 kg/mm2
Los aceros pueden ser o no productos de aleaciones con metales que no sean el carbono, por ello se clasifican como:
∙ Aceros aleados: Son aquellos que se conforman con metales adicionales como lo pueden ser el níquel, molibdeno, etc.
∙ Aceros no aleados: Presentan una pureza mayor, estos aceros se destinan a recibir tratamientos térmicos de temple y revenido, ya que su composición los hace óptimos para mejorar sus propiedades satisfactoriamente con este tipo de tratamientos.
Los aceros especiales son aquellos que además de estar compuestos por hierro y carbono también los conforma un elemento de aleación como el níquel, molibdeno, tungsteno, vanadio, etc. Esta mezcla se realiza para modificar las propiedades del acero y su clasificación es la siguiente:
Los 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:
∙ Aceros aleados destinados a la construcción mecánica y aparatos de presión ∙ Aceros para rodamientos
∙ Aceros para herramientas ∙ Aceros rápidos
∙ Otros aceros con características físicas especiales, como aceros con coeficiente de dilatación controlado, con resistencias eléctricas, etc.
Otra clasificación es por su aplicación:
Según el uso a que se quiera destinar, los aceros se pueden clasificar en los siguientes: • Aceros de construcción: Estos aceros presentan buena resistencia a los esfuerzos
• Aceros cementados: El proceso de cementación es un tratamiento termoquímico en el que se aporta carbono a la superficie de la pieza.
• Aceros para temple y revenido: Se busca 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).
• Aceros inoxidables o para usos especiales: 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.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.
DEFINICION DE FORJA:
Proceso de deformación en el cuál el material se comprime usando una fuerza de impacto o una presión gradual para formar la pieza. Este proceso puede realizarse en frío o caliente. Actualmente el forjado es un proceso industrial importante mediante el cual se fabrican piezas de alta resistencia para diversos sectores de la producción mercantil de un país.
CLASIFICACION DE LOS PROCESOS DE FORJADO
La clasificación convencional de la forja de acuerdo a la distribución de los esfuerzos es la siguiente:
∙ Forjado unidireccional ∙ Forjado Bidireccional
Esta clasificación se relaciona con el procedimiento de forjado y el posible uso del material. Otra clasificación depende de la temperatura a la que se realiza el forjado:
∙ Forjado en frío ∙ Forjado en caliente
La diferencia entre estas radica en calentar el material a forjar o no hacerlo.
La clasificación dependiendo de la herramienta utilizada para realizar el trabajo de forja, que puede ser realizado con prensas para forja, que someten al metal a una fuerza de compresión a poca velocidad o manualmente con mazas y martillos que atacan superficialmente con golpes rápidos la pieza.
Así mismo también se puede clasificar por el lugar de trabajo de la forja, este puede ser:
∙ Forja abierta: en la cual se utiliza una fragua y pinzas e instrumental que se utiliza manualmente
∙ Forja cerrada: En esta se requiere de mecanismos de mayores capacidades de fuerza para prensar o troquelar materiales.
DEFINICION DE TRATAMIENTOS TÉRMICOS
El objetivo de un tratamiento térmico es realizar un reacomodo en el arreglo de las estructuras intermoleculares para mejorar algunas propiedades del material. Por lo general se modifican y mejoran propiedades de tipo mecánico, físico y en baja proporción químico.
CLASIFICACION DE TRATAMIENTOS TÉRMICOS
En general existen cuatro tipos de tratamiento térmico: El temple, el revenido, el recocido y el normalizado.
Temple: Durante este tratamiento el acero es calentado hasta un punto determinado y
posteriormente es enfriado abruptamente con el fin de obtener una transformación que proporciones una estructura dura.
Los factores que influyen en la práctica del temple son:
∙ El tamaño de la pieza: cuanto más espesor tenga la pieza más hay que aumentar el ciclo de duración del proceso de calentamiento y de enfriamiento.
∙ La composición química del acero: en general los elementos de aleación facilitan el temple.
∙ El tamaño del grano: influye principalmente en la velocidad crítica del temple, tiene mayor templabilidad el de grano grueso.
∙ El medio de enfriamiento: el más adecuado para templar un acero es aquel que consiga una velocidad de temple ligeramente superior a la crítica. Los medios más utilizados son: aire, aceite, agua, baño de Plomo, baño de Mercurio, baño de sales fundidas y polímeros hidrosolubles.
Los tipos de temple son los siguientes: temple total o normal, temple escalonado martensítico o "martempering", temple escalonado bainítico o "austempering", temple interrumpido y tratamiento subcero.
Revenido: Es un tratamiento complementario del temple y por lo común es posterior. Al conjunto
templado a una temperatura inferior al punto crítico, es seguido por un enfriamiento controlado que depende del producto final que se desee obtener
Los fines que se consiguen con este tratamiento son los siguientes:
∙ Mejorar los efectos del temple, llevando al acero a un estado de mínima fragilidad. ∙ Disminuir las tensiones internas de transformación, que se originan en el temple.
∙ Modificar las características mecánicas, en las piezas templadas produciendo los siguientes efectos:
∙ Disminuir la resistencia a la rotura por tracción, el límite elástico y la dureza.
∙ Aumentar las características de ductilidad; alargamiento estricción y las de tenacidad; resiliencia.
Recocido: El objetivo principal del tratamiento es eliminar dureza al acero para su maquinado
posterior, también se usa para eliminar tensiones internas.
El recocido es comúnmente usado como un tratamiento térmico preliminar, ya que por sí solo no es un tratamiento que conforme al acero con características óptimas para su aplicación.
El recocido para aceros de bajo y medio contenido de carbono se realiza a unos 20 o 50 grados por encima de la temperatura de transformación.
Normalizado: La normalización corresponde a un recocido supercrítico con enfriamiento al aire. El
acero normalizado posee una resistencia y tenacidad levemente más altas que el acero recocido, pero al mismo tiempo la maquinabilidad disminuye.
CONCLUSIONES
Como práctica introductoria es importante reconocer las instalaciones del laboratorio y saber cuál es el equipo con el que se cuenta, así mismo también es necesario saber dónde se ubican cada una de las máquinas y las herramientas y saber cuáles son las funciones de cada una de ellas. Del mismo modo es oportuno conocer cuáles son los tratamientos térmicos fundamentales, en qué consisten y cómo se llevan a cabo.
Como el acero es el material de trabajo más común en la forja y los tratamientos térmicos es también indispensable conocer las propiedades de este material y saber cuál es su composición, y su comportamiento posterior a ser modificado con algún tratamiento térmico.
La forja es indispensable para muchos procesos de manufactura en la actualidad y esta importancia la ha ido adquiriendo a lo largo de los años, y desde la antigüedad ya que el hombre ha hecho uso de herramientas para poder sobrevivir y las ha empleado también en todo tipo de actividades en su vida, como lo es en el la agricultura, en la caza, la construcción de viviendas, de
edificaciones, la fabricación de componentes para máquinas, en fin la utilidad es y ha sido de suma importancia a lo largo de la historia del hombre.
Como parte final del reporte es importante destacar la importancia de conocer el funcionamiento de las máquinas del taller de forja y tratamientos térmicos, y por lo tanto esperara que los profesores a cargo del laboratorio nos permitan aprender, seguidos de sus asesoramientos, el uso y la aplicación de las máquinas del laboratorio así como las técnicas de trabajar con las herramientas con las que se cuenta.
