Elementos de Máquinas y Mecanismos

 

 

ELEMENTOS DE MÁQUINAS Y MECANISMOS

INTRODUCCIÓN

 

En nuestra preparación para ser ingenieros en Industrias Alimentarias es importante conocer sobre los diversos materiales que se utilizan en la elaboración de piezas metálicas pues es probable que en algún momento tengamos que supervisar el trabajo de algún tipo de maquinaria, es por eso que existe la necesidad de conocerlos. Es importante conocer los materiales utilizados en la construcción de piezas metálicas pues el comportamiento y funcionamiento de dichas piezas depende de qué tipo de material se utilizó para elaborarlas. Se estima que en la actualidad hay más de 50 000 materiales disponibles para el diseño y fabricación de piezas. No todos los materiales son apropiados para fabricar determinadas piezas por lo tanto es necesario conocer y seleccionar el material más conveniente. Los materiales suelen clasificarse en tres grandes grupos: los metales, los cerámicos y los polímeros. A partir de estos se obtienen las diferentes familias de materiales como son: Aleaciones metálicas, donde se pueden considerar los materiales ferrosos (aceros y fundiciones), los no ferrosos (aleaciones de Cu, Al, Mg, Ti, entre muchas otras). Con respecto a los aceros, estos son clasificados como aceros al carbono y aceros aleados. Dentro de los aceros al carbono se tiene: aceros de alto, medio y bajo porcentaje de carbono, a veces llamados también de alta, media o baja aleación. Los aceros aleados pueden clasificarse en varias familias de acuerdo al elemento o elementos aleantes principales, podemos distinguir entre: los aceros inoxidables, de construcción metálica, estructurales, aceros para herramientas, aceros para moldes plásticos, etc. Dentro de los materiales no ferrosos, también tenemos una amplia variedad de familias , las principales son: las aleaciones de aluminio, Cu, Sn, Mg, Ti, etc, y las superaleaciones, , diseñadas para para soportar los más más altos esfuerzos, con los menores pesos posibles, siendo bastante caras y utilizadas en la industria militar, espacial y aeronáutica. En la actualidad los llamados materiales compuestos presentan una gran importancia, estos son combinaciones entre las tres grandes familias de materiales. También en el campo de estudio y mejoramientos de las propiedades de los materiales se está trabajando en la deposición por diferentes métodos de películas tanto metálicas, cerámicas y poliméricas , buscando con estos recubrimientos mejorar las condiciones

 

de trabajo de los materiales base en lo que se refiere a la corrosión, desgaste, aislamiento térmico, eléctrico, etc. El presente trabajo de investigación tiene por objetivo conocer los principales materiales utilizados en la elaboración de piezas metálicas.

MATERIALES PARA LA CONSTRUCCIÓN DE PIEZAS METÁLICAS ACEROS Son aleaciones de hierro y carbono que pueden ser deformadas en frío y caliente. Por lo general el porcentaje de carbono en el acero no excede el 1,1 %. Este material de obtiene al someter el arrabio (mineral de hierro) a un proceso de decarburación y eliminación de impurezas llamado refinación (oxidación del carbono). Los aceros pueden clasificarse en función del porcentaje de carbono en: Aceros hipoeutectoides e hipereutectoides según el porcentaje de carbono sea inferior o –

superior al punto eutetoide en un diagrama Hierro  Carbono. Según su composición los aceros se pueden clasificar en aceros al carbono, formados por hierro y carbono y elementos residuales y aceros aleados qque ue contienen además de carbono otros elementos en cantidades suficientes como para alterar sus propiedades como duereza, resistencia a la corrosión, etc. Entre los elementos químicos que influyen en la resistencia a la corrosión de los aceros están el cromo , el molibdeno y el tungsteno que también favorecen la resistencia a la oxidación , otros elementos usados en la aleación están el Al, Cu, V, Nb, Ti, Mn,Si, etc. De acuerdo a su aplicación los aceros se clasifican en: Aceros de construcción mecánica, aceros inoxidables, aceros para herramientas, aceros estructurales, entre otros. Los aceros de construcción mecánica son los más utilizados para construir piezas metálicas que forman parte de máquinas y equipos industriales.

Aceros aleados y elementos de aleación Los aceros aleados no sólo poseen propiedades físicas más convenientes, sino que también permiten una mayor amplitud en el proceso de tratamiento térmico, El efecto de los principales elementos de aleación adicionados a los aceros se resume a continuación. - Cromo: la adición de este elemento origina la formación de diversos carburos de cromo que son muy duros; sin embargo, el acero resultante es más dúctil que un acero de la misma dureza producido simplemente al incrementar su contenido de carbono. La adición de cromo amplía el intervalo crítico de temperatura.

 

- Níquel: la adición de níquel al acero amplía el nivel crítico de temperatura, no forma carburos u óxidos. Esto aumenta la resistencia sin disminuir la ductilidad. El cromo se utiliza con frecuencia junto con el níquel para obtener la tenacidad y ductilidad proporcionadas por el níquel, y la resistencia al desgaste y la dureza que aporta el cromo. - Manganeso: el manganeso se agrega a todos los aceros como agente de desoxidación

yclasifica desulfuración, el contenido de manganeso es superior a 1%,elelintervalo acero secrítico como unpero acerosi aleado al manganeso. Este elemento reduce de temperaturas. - Silicio: Este elemento se agrega como desoxidante a todos los aceros. Cuando se adiciona a aceros de bajo carbono, produce un material frágil con baja pérdida por histéresis y alta permeabilidad magnética. El uso principal del silicio es, junto con otros elementos de aleación, como manganeso, el cromo y el vanadio, estabilizar los carburos. - Molibdeno: El molibdeno forma carburos y también se disuelve en la ferrita hasta cierto porcentaje, de modo que intensifica la dureza y la tenacidad. El molibdeno disminuye sustancialmente el punto de transformación. Debido a esta disminución, el molibdeno es de los elementos más eficaces para impartir propiedades deseables a partir del temple en aceite o al aire. Exceptuando al carbono, el molibdeno es el que tiene el mayor efecto endurecedor, aportando además un alto grado de tenacidad. - Vanadio: Es un fuerte desoxidante y promueve la formación de un tamaño de grano fino, también acrecienta la tenacidad del acero. El acero al vanadio es muy difícil de suavizar por revenido, por lo que se utiliza ampliamente en aceros para herramientas. - Tungsteno: Este elemento se emplea mucho en aceros para herramientas, porque la herramienta mantendrá su dureza aun cuando estuviera candente o al rojo. Produce una estructura densa y fina, impartiendo tenacidad y dureza.

Aceros para herramientas En este grupo de aceros se incluyen aquellos que normalmente se emplean en la fabricación de ˙tiles o herramientas destinados a modificar la forma, tamaño y dimensiones de los materiales por corte, presión o arranque de viruta. Los aceros de herramientas tienen generalmente un contenido en carbono superior a 0.30%, aunque a veces también se usan aceros de bajo contenido en carbono (0.1 a 0.30%), para la fabricación de ciertas herramientas. Tipos aceros de herramientas: 1. Aceros de endurecimiento en Agua): contienen solamente C en % entre 0.6 y 1.4, se usan en general como herramientas de corte o cuchillería. 2. Aceros resistentes al impactos: se usan en herramientas que están sometidas a impacto y por tanto deben tener buena tenacidad, es decir, resistencia al impacto. No

 

necesariamente deben alcanzar máxima dureza. Este tipo de acero contiene típicamente: 0.5% C, 0.5% Mo, 1.5% Cr, 2% Si. 3. Aceros para trabajo en frío, fr ío, templables en aceite (O): son muy utilizados para la fabricación de herramientas para trabajo en frío como matrices, donde la resistencia al desgaste y resistencia al impacto son muy importantes. Un acero muy conocido es el O1: 0.9% C, 0.5% W, 0.5% Cr, 1% Mn. 4. Aceros para trabajo en frío, templables al aire: son utilizados para aplicaciones donde se requiere excepcional resistencia al impacto y buena resistencia a la abrasión, como por ejemplo en matrices de estampado, de extrusión y de trefilación. Un acero típico es el A2, su composición típica es: 1% C, 1% Mo, 5% Cr. 5. Aceros para trabajos en caliente, tipo H: estos aceros mediante endurecimiento secundario, mantienen la dureza a alta temperatura. Es típico su uso en herramientas y matrices. 6. Aceros base Cromo, H10: 0.4% C, 2.5% Mo, 3.25% Cr, 0.4% V 7. Aceros base Tungsteno, H21: 0.35% C, 9% W, 3.5% Cr 8. Aceros base Molibdeno, H42: 0.6% C, 6% W, 5% Mo, 4% Cr, 2% V 9. Aceros rápidos, Tipo T y M: son aceros altamente aleados, usados para cortes de alta velocidad. Deben mantener su resistencia resis tencia a alta temperatura y al desgaste a esas temperaturas para mantener bordes afilados. Desarrollan carburos de tungsteno y molibdeno para mantener resistencia a alta temperatura. 10. Tipo T (Tungsteno), T1: su composición típica es: 0.75% C, 18% W, 4% Cr y 1% V, es utilizado en la fabricación de brocas, matrices, escareadores. 11. Tipo M (Molibdeno), M1: 0.85% C, 1.5% W, 8.5% Mo, 4% Cr, 1% V

FUNDICIONES Son considerados como los materiales más utilizados en el presente, debido a su alto volumen de producción. Presentan una amplia variedad de aplicaciones. Con estos materiales se pueden fabricar bloques de motores de combustión interna , tuberías para transporte de agua, vapor y otros gases, cigüeñales, rótulas de dirección, carcazas de

 

bombas, frenos, engranajes, uñas para retroescabadoras, herrajes, etc. En la actualidad más de 200, 000 piezas se fabrican con este material en los países industrializados. Las fundiciones son ampliamente utilizadas debido a que presentan excelentes propiedades mecánicas y físicas, presentan un bajo costo ya que son de fácil fabricación, porque presentan menores temperaturas de fusión que los aceros, facilidad de mecanizado, presentan elevada resistencia a la compresión y a la tracción entre 120 y 1250 Mpa. Las fundiciones incluyen muchos metales que tienen una gran variedad de propiedades. Aunque a menudo las fundiciones son consideradas metales simples de producir y especificar, la metalurgia de ellas es más compleja que la del acero y la de muchos otros metales. Aceros y fundiciones son ambos básicamente hierro, en donde el carbono es el principal aleante. Los aceros contienen menos de 2% de C y normalmente menos de 1% de este elemento. Por otro lado, todas las fundiciones contienen más del 2% de carbono Además de carbono, las fundiciones también contienen silicio, normalmente entre 1 a 3%. En este sentido, las fundiciones son realmente aleaciones de hierro, carbono, silicio, pudiendo contener elementos como Mn, P, Cr, Ni, S, Al, Cu, etc, dependiendo de sÌ son fundiciones ordinarias o aleadas. El contenido de carbono en las fundiciones es la clave para obtener diferentes propiedades. La precipitación de carbono en forma de grafito durante la solidificación, contrarresta la contracción normal del metal al solidificar, pudiéndose obtener secciones estrechas (delgadas). El grafito también proporciona excelente maquinabilidad. Estos materiales son resistentes al desgaste y con excelentes propiedades de absorción de vibraciones. Sin embargo, no tienen la suficiente ductilidad para ser laminadas o forjadas. La presencia de grafito ayuda a aumentar la lubricación en superficies sometidas a desgaste, (igualmente si las superficies están bajo condiciones de lubricación límite).

Piezas elaboradas con fundiciones

ALEACIONES NO FERROSAS

 

ALEACIONES DE ALUMINIO - Aleaciones Aluminio-Cu-Mg

La adición de Mg a las aleaciones Al-Cu, acelera e intensifica el endurecimiento por precipitación, produciéndose precipitaciones como Al2CuMg y Al2CuMg - Aleaciones de Aluminio Para Piezas Fundidas

Con estas aleaciones se busca fluidez, aptitud para alimentar el molde, resistencia, ductilidad y resistencia a la corrosión. Entre este tipo de aleaciones destacan: - Aleaciones Al-Si

Son las aleaciones de más importancia para piezas fundidas, tienen alta fluidez, por lo que es fácil de alimentar los moldescon ella. Además el Si no reduce la resistencia a la corrosión del Al puro. - Aleaciones Al-Mg-Si

Se puede aumentar la resistencia mecánica de los anteriores, si se agrega 0,35% de Mg. El Mg produce un cierto envejecimiento por precipitación.

COBRE Y SUS ALEACIONES El cobre se obtiene a partir de minerales sulfurados (80%) y de minerales oxidados (20%), los primeros se tratan de pirometalurgia y los segundos de hidrometalurgia. Algunos tipos de cobre comerciales son los siguientes: Cobres desoxidados. Pueden ser cobres refinados electrolíticamente o térmicamente. La desoxidación se logra en la fundición agregando fósforo en forma de fosfuro de cobre. La desoxidación elimina la fragilización en atmósferas reductoras de alta temperatura, teniendo además, buena soldabilidad. El exceso de fósforo queda disuelto en solución sólida en el cobre, produciendo una fuerte reducción de la conductividad eléctrica

LATONES Es el mejor material para la manufactura de muchos componentes debido a sus características como la resistencia mecánica y su alta ductilidad, alta resistencia a la corrosión lo hacen de fácil trabajo e las máquinas y herramientas. Sus propiedades dependen de la cantidad de zinc que posean así como de la adición de otros metales. Latones al plomo 

El plomo es prácticamente insoluble en los latones y se separa en forma de finos glóbulos, favoreciendo la fragmentación de las virutas en el mecanizado. También el

 

plomo tiene un efecto de lubricante por su bajo punto de fusión, disminuyendo el desgaste de la herramienta de corte.

Piezas de latón

BRONCES Los bronces son aleaciones de cobre con estaño, aun cuando se les suele utilizar más ampliamente para otras aleaciones de cobre. Las aleaciones industriales de bronce tienen en general entre 3 y 20 % de Sn. Los bronces tienen buena resistencia a la corrosión en atmósferas industriales y marinas, son resistentes al desgaste y tienen fuerte resistencia mecánica, además son poco sensibles a la corrosión bajo tensión y al picado, y son excelentes para producir piezas fundidas.

Piezas de bronce

TITANIO Y ALEACIONES DE TITANIO El titanio es un elemento metálico blanco plateado que se usa principalmente para preparar aleaciones ligeras y fuertes. Debido a su alta resistencia y su peso ligero, el titanio se usa en aleaciones metálicas y como sustituto del aluminio. Aleado con aluminio y vanadio, se utiliza en la aviación para fabricar las puertas de incendios, la capa exterior, los componentes del tren de aterrizaje, el entubado hidráulico y las protecciones del motor.

 

La relativa inercia del titanio le hace eficaz para las tuberías y tanques que se utilizan en la elaboración de los alimentos. Se usa en los intercambiadores de calor de las plantas de desalinización debido a su capacidad para soportar la corrosión del agua salada. En metalurgia, las aleaciones de titanio se usan como desoxidantes y desnitrogenantes para eliminar el oxígeno y el nitrógeno de los metales fundidos. El dióxido de titanio (conocido como titanio blanco), es un pigmento blanco y brillante que se utiliza en pinturas, lacas, plásticos, papel, tejidos y caucho.

CONCLUSIONES •

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  Es importante conocer los diversos metales o aleaciones con las cuales se

elaboran las piezas metálicas, ya que algunas son más adecuadas que otras o presentan ventajas unas sobre otras para la fabricación de determinadas piezas.   Los principales materiales utilizados en la elaboración de piezas metálicas son: el acero y sus aleaciones, las fundiciones ambas son básicamente hierro con el carbono como principal aleante y algunas aleaciones no ferrosas como el latón o el bronce.

BIBLIOGRAFÍA •

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   Materiales para construcción de piezas metálicas. Universidad Tecnológica de

Pereira. Colombia  Disponible en: http://www.utp.edu.co/~dhmesa/pdfs/clase10teoria.pdf   APPOLD,H., FEILER, K., REINHARD, A., SCHMIDT P. 1985.  Tecno el ología de los metales. Editorial Reverté. España    Merican Machinist Mgazine. 1986. Máquinas y herramientas para la industria metalmecánica: uso y cuidado. McGraw – Hill. Mexico