MODULO 2 Analisis AFA

 

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MODULO 2: PRNCPOS DE METALUR!A MATERAL DE REFERENCA Pr"#esa$ient" del %ierr" & el a#er" El hierro fundido y el acero son los dos metales más comunes usados por  Caterpillar para la fabricación de sus productos. El mineral de hierro en bruto es encontrado en la naturaleza en vastos depósitos alrededor del mundo (5% de la superficie del planeta) en su estado estable de óxido de hierro mezclado con impurezas.

El proceso de refinado se inicia con y el caliza calentamiento del mineral de hierro con coe (carbón cocido sin ox!"eno) en un horno de chorro de aire recubierto con ladrillos refractarios. #urante el refinado el coe se combina con el ox!"eno contenido en el mineral de hierro liberando hierro fundido el cual se deposita en el fondo del horno y la caliza se combina con las impurezas (suciedad$ sulfuros$ etc.) y flota a la superficie produciendo escoria. ediante estos fenómenos tanto &u!micos como f!sicos se produce un metal refinado menos estable llamado hierro colado el cual es conformado como lin"otes llama llamados dos 't 'toch ochos os$$ los cu cuale ales s ser serán án empl emplea eados dos más más ad adela elante nte para para la manufactura de hierro fundido o acero.

El acero no es otra cosa &ue el hierro colado &ue ha pasado por un proceso de refin refinad ado o &ue &ue red reduce uce el co conte ntenid nido o de carbó carbón$ n$ la las s impure impurezas zas y a aust usta a el contenido de otros elementos. El m*todo de refinado empleado con mayor  frecuencia en la actualidad es el de horno de arco el*ctrico. El hierro colado  unto con chatarra chatarra$$ se coloca en el horno revestido de ladrillos refractarios. refractarios. Este horno está provisto de electrodos de carbón los &ue son sumer"idos unas cuantas pul"adas en el metal. Cuando se enciende la corriente$ rápidamente el calor "enerado por el fluo de corriente a trav*s del metal lo derrite. El proce proceso so con contin tin+a +a hasta hasta &ue &ue el con conten tenido ido de carbó carbón$ n$ impu impurez rezas as y otr otros os elementos alcanza el valor especificado.

 

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#urante el pro #urante proceso ceso de refinad refinado o es posible posible &ue ciertas ciertas impurez impurezas as &ueden &ueden atrapadas en el metal$ tales como piezas del ladrillo refractario$ escoria o las impurezas impureza s del mineral de ori"en. El metal refinado es vaciado en un molde en for forma ma de lin"o lin"ote te y se dea dea enfri enfriar ar.. , medi medida da &u &ue e el metal metal se en enfr! fr!a a "a "as s atrapado atrapad o puede formar discontinuida discontinuidades des internas en el lin"ote. -osteriormente -osteriormente este lin"ote es calentado nuevamente y rolado en caliente a planchas$ placas$ barras$ etc. #urante este proceso la mayor!a de los vac!os se cierran.

 

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C"$("si#i)n & Estru#tura del *ierr" & el A#er" El hierro fundido y el acero tiene varios in"redientes comunes$ pero el principal es el hierro. El carbón es el elemento &ue más afecta la dureza y la fortaleza. tros elementos &ue afectan las propiedades del hierro fundido y del acero son man"anes man"aneso$ o$ moli molibden bdeno$ o$ cromo cromo y boro. boro. El fósforo$ silicio silicio y azufre azufre son impurezas frecuentemente encontradas en el hierro fundido y el acero.

El hierro fundido y el acero comparten una estructura com+n$ consistente de "ranos &ue se forman cuando el metal se solidifica durante el proceso de refinado. /os "ranos son cristales formados al azar &ue forman l!mites donde ellos tocan a los "ranos circundantes. Cual&uier impureza &ue sea insoluble y permanezca despu*s del refinado$ será atrapada en los l!mites de "rano.

/os "ranos de hierro fundido y acero son compuestos de átomos de hierro &ue se acomodan entre s! en el interior de la unidad de celda. 0na unidad de celda se forma cuando los átomos de hierro se acomodan dentro de un cubo$ con un átomo en cada es&uina y uno en el centro. Esto se llama un cuerpo c+bico centrado ó CCC. 0n "rano completo se forma al adicionar unidades de celda en todas las direcciones. 0na pieza puede consistir en uno o muchos miles de "ranos. Clasii#a#i)n + de Car,)n 2% 3ierro -uro 2$245% a 2$45% ,cero de ao Carbono 2$45% a 2$5% ,cero de edio Carbono 2$5% a 4% ,cero de ,lto Carbono 4% a 6% 3ierro 7undido El contenido de carbón es la principal diferencia entre el hierro fundido y el acero acero.. Como Como el hie hierr rro o fun fundid dido o tie tiene ne más carbó carbón$ n$ sus pr prop opied iedad ades es son diferentes. /os diferentes tipos de acero$ de bao$ medio y alto carbono se obtienen al remover el carbón del hierro fundido. 1i se retira todo el carbón$ el resultado es hierro puro.

 

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tra diferencia entre el hierro fundido y el acero se ve claramente bao un microscopio. 4% de carbón es el máximo &ue el hierro puede disolver. El acero es hierro con menos de 4% de carbón. 1i hay más carbón presente$ el exceso saldrá del hierro y se &uedará (precipita) en los l!mites de "rano. El hierro fundido contiene más de 4% de carbón y la estructura de su "rano difiere de las del acero.

El hierro fundido tiene bolsas de "rafito ne"ro entre los "ranos por el alto contenido de carbón 8 la misma sustancia de las minas de los lápices. El carbón extra da al hierro fundido caracter!sticas especiales como facilidad de ma&uinado y amorti"uación de vibraciones.

El ac acer ero o tien tiene e una una es estr truc uctu tura ra de "r "ran ano o &u &ue e se as asem eme ea a a pi pied edre reci cita tas s estrecha estr echament mente e emp empacad acadas. as. #ebido #ebido al bao contenido contenido de carbón$ carbón$ no hay present pre sentes es esca escamas mas de "ra "rafito. fito. Esto da al acero acero su excelen excelente te ductilid ductilidad ad y moldeabilidad. El hierro fundido se clasifica en cuatro cate"or!as basado en su estructura de "rafito9

3ierro :ris9 contiene escamas de "rafito.

 

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3ierro ;odular9 contiene esferas de "rafito.

3ierro aleable9 contiene escamas de "rafito.

3ierro lanco9 contiene carburo.

El acero contiene entre 2$245% y 4% de carbón. El contenido de carbón tiene un lu"ar lu"ar en el sistem sistema a de nume numerac ració ión n es están tándar dar de dell acero acero.. Este Este sistem sistema a clasifica todos los tipos de acero con un códi"o num*rico. /os dos primeros d!"itos son el códi"o del contenido de aleación. El códi"o de aleación para un ac acer ero o simp simple le en es este te eem eempl plo o es ell de dureza. ateriales blandos tiene n+meros =oc>ell baos y materiales duros tiene n+meros =oc>ell altos. R"#34ell 5rinell R# 65 @AB 65 2 5 52 5 2 A5 A2 45

66 52  5 D< 4< A@< A4@ 4D6 45A

 ,un&ue existen existen otros sistemas de clasificación$ Caterpillar Caterpillar usa com+nmen com+nmente te el sistema de clasificación =oc>ell para medir la dureza del acero y el sistema de clasificación rinell para hierro fundido. , diferencia del sistema =oc>ell$ el sistema rinell mide el diámetro de la indentación. El sistema =oc>ell mide una amplia "ama de materiales. :eneralmente la escala más apropiada para los ran"os de dureza de los aceros Caterpillar es la escala =oc>ell C$ abreviada =c. /a fort fortal alez eza a y la re resi sist sten enci cia a al de des" s"as aste te so son n do dos s de lo los s pr prin inci cipa pale les s subproductos de la dureza.  ,plicaciones9  ,plicacione s9 cuchillas de m motonivelad otoniveladoras. oras. Frailidad En t*rminos metal+r"icos$ fra"ilidad fra"ilidad si"nifica &ue un metal se rompe o &uiebra fácilmente. /a fra"ilidad ocurre cuando una pieza de metal es muy dura. , medida &ue se incrementa la dureza lo hace tambi*n la fra"ilidad. 3ay una l!nea fina entre obtener máxima dureza sin hacer las piezas frá"iles.

Tena#idad ?enaci nacidad dad es la cap capacid acidad ad &ue tiene el metal metal de absorbe absorberr consider considerable able cantidad de ener"!a ante antes s de &uebrarse &uebrarse.. :eneralmente :eneralmente una pieza de metal blando es tenaz hasta cierto punto. 0na pieza muy blanda no se considera tenaz por&ue se deforma fácilmente.

 

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Du#tilidad

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0n metal d+ctil puede tolerar considerable estiramiento o retorcimiento sin romperse.

El material d+ctil puede alar"arse considerablemente antes de romperse como lo indica el "ráfico iz&uierdo. El material frá"il muestra ausencia de ductilidad (derecha). Resisten#ia el7sti#a

Es la capacidad de una pieza de metal de soportar una car"a antes de deformarse permanentemente (más allá de su 'punto de retorno de resorte o ran"o elástico). /a resistencia elástica es medida en libras por pul"ada cuadrada (lbspul" 4) o me"apascales (-a). Ciertas piezas deben poder soportar "randes car"as sin deformarse más allá del ran"o elástico o l!mite elástico del metal. Resisten#ia a la tensi)n

=esistencia a la tensión es la capacidad de una pieza metálica para soportar  car"as antes de romperse. Como la resistencia elástica$ la resistencia a la tensión tens ión es expresad expresada a en lbs lbspul" pul"4 o -a. -a. Es Esto to se hace hace para para &ue &ue los los in"enier in"e nieros os pue puedan dan dete determi rminar nar las car"as car"as totales totales en metales metales de diferen diferentes tes formas y dimensiones.

 

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Resisten#ia a la atia

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=esistencia a la fati"a es la capacidad de un metal para soportar repetidas car"as c!clicas sin romperse. /a resistencia a la fati"a es aproximadamente aproximadamente la mitad de la resistencia a la tensión de una pieza. /a prueba de fati"a es realizada principalmente para determinar el l!mite de fati"a de una pieza dada.

#urante la prueba de fati"a$ la pieza es sometida a un proceso c!clico de esfuerzo y alivio. Este ciclo se repite hasta &ue la pieza finalmente se rompeF lue"o se disminuye el esfuerzo y se repite la prueba. El valor del esfuerzo al cual la pieza ya no se rompe es llamado el l!mite de fati"a o resistencia a la fati"a.

 

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C"n"r$ad" de l"s Metales Fundi#i)n

7undición es uno de los primeros pasos en el moldeado de hierro fundido y acero para la obtención de muchos productos Caterpillar. 7undición si"nifica calentam cale ntamient iento o del metal hast hasta a un estado estado l!&uido$ l!&uido$ vaciándolo vaciándolo dentro dentro de un molde y permiti*ndole enfriar y endurecer a la forma deseada. /a fundición puede ser lue"o ma&uinada y procesada hasta obtener el producto o la pieza final.

El proceso de fundición para hacer un blo&ue de motor como este empieza con un modelo. El modelo del blo&ue de motor se usa para hacer un molde para la fundición. /os blo&ues son fundidos en moldes de arena$ hechos con una mezcla de arena$ arcilla y a"ua. El molde de arena se usa más &ue cual&uier otro proceso en Caterpillar. El hierro es fundido en "randes hornos de inducción. #espu*s &ue el horno alcanz alc anza a la tem tempe pera ratur tura a apr apropi opiad ada$ a$ la escor escoria ia es remov removida ida y el hierr hierro o es colocado dentro de los cucharones. #e all!$ el hierro fundido es transferido a cucharones de vaciado. El hierro es lue"o vaciado dentro de moldes de arena y se dea en enfriamiento. Cuando el hierro endurece$ el molde es desarmado$ se saca la arena y se limpia la fundición. El blo&ue está ahora listo para el ma&uinado final. *ierr" Fundid"

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A#er" Fundid" -ropiedades =esi =e sist sten ente te a ca car" r"as as de 0s 0sad ado o ampl amplia iame ment nte e y de cho&ue. bao costo. ás fácil de soldar &ue los =educe vibración y ruido. •

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productos de hierro fundido. ás á s fu fuer erte te &u &ue e el hi hier erro ro fundido.  ,plicaciones  ,plicacione s Caas de ees

Es de fácil ma&uinado. =esistente al des"aste.

lo&ues de otor   

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Puli$etaluria

/a pulvimetalur"ia pulvimetalur"ia implica comprimir bao presión metal pulverizado dentro de un molde y calentarlo hasta &ue las part!culas se fundan y lle"uen a ser más densas. /a estructura del "rano del metal pulverizado es similar a la del hierro fundi fun dido do$$ excep excepto to &ue &ue no hay hay "r "rafi afito to.. /o /os s "r "ran anos os tie tiene nen n un una a distri distribuc bució ión n desordenada sin fluo de "rano. ,l usar diferentes polvos$ pueden moldearse piezas compleas de casi cual&uier combinación de a"entes de aleación. Este proceso produce un ran"o +nico de propiedades tales como alta resistencia de tensión o dureza.

0na variedad de piezas Caterpillar son hechas de hierro$ cobre$ n!&uel y otros metales en polvo premezclados. El polvo es primero medido dentro de una matriz. /ue"o se comprime como un cuerpo sólido por medio de ttonelada oneladas s de fuerza$ usualmente se emplea una prensa hidráulica. El resultado es una pieza comp compac acta ta de de dens nsid idad ad un unif ifor orme me.. En es esta ta et etap apa$ a$ la las s pi piez ezas as de meta metall pulverizado no son muy fuertes. 0n proceso de sinterizado es necesario para fortalecer la pieza$ este consiste en some somete terr las las piez piezas as a alta altas s te temp mper erat atur uras as en un ho horn rno$ o$ fu fund ndie iend ndo o y densificando los polvos. El resultado es una pieza fuerte$ confiable y apropiada para su aplicación. #espu*s del sinterizado las piezas re&uieren muy poco ma&uinado$ muchas veces están inmediatamente listas para el uso.

/as /as pie piezas zas de met metal al pulve pulveriz rizad ado o tie tienen nen un una a varied variedad ad de pr propi opied edad ades es dependiendo de la mezcla de polvos. ,l"unas piezas de metal pulverizado tiene tien e alta resiste resistencia ncia a la tensión tensión y soporta soportan n car"as car"as pesadas. pesadas. , menudo$ menudo$ piezas de metal pulverizado son usadas en aplicaciones aplicaciones de car"as de cho&ue baas re&uiriendo alta resistencia al des"aste.

 

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La$inad" El laminado es un paso clave en el proceso comercial del acero. Este tiene dos propósitos primarios9 •

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Conse"uir el acero en formas utilizables tales como lin"otes o chapas$ las cuales son lue"o transformadas en productos Caterpillar. Cambiar las propiedades del acero.

El proceso de laminar el acero comienza calentando los lin"otes de metal en "randes hornos llamados 'fosos de ablandamiento. Cuando el metal alcanza una una tem tempe perat ratura ura de 4422 4422 a 4A22 4A22 "r "rad ados os se vu vuelv elve e pl plást ástico ico o fle flexib xible le en estructura. El lin"ote calentado se pasa de arriba abao entre rodillos bao presión muy alta. Cada pasada comprime el lin"ote un poco más cerca de su forma final. Cambiando la forma de los rodillos se cambia la forma del acero terminado. Caterpillar compra mucho acero en estas formas.

 , medida &ue se lamina el acero de los lin"otes fundidos$ la estructura del "rano es refinada dentro de una forma alar"ada y los "ranos son alineados en filas. Estas filas se llaman l!neas de fluo$ las cuales hacen el acero laminado más fuerte y más duro &ue el acero fundido.

uchas piezas Caterpillar son fabricadas de acero laminado9 /a mayor!a de las estructuras como bastidores$ caas de tra!llas y cucharones cucharones son fabricadas fabricadas de chapas de acero laminado. Eslabones de zapatas$ cadenas y otras piezas foradas son hechas de lin"otes laminados.

 

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F"r;ad"

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El forado involucra calentamiento del metal hasta &ue est* blando y lue"o es martillado para darle forma a trav*s del uso de fuerza. uchas ucha s pie piezas zas de acero acero for forad ado o comie comienz nzan an co como mo un lin lin"o "ote te de acero acero laminado$ comprado de esta forma de uno de los proveedores de acero. El lin"ote es primero cortado en lon"itudes predeterminadas o lin"otes pe&ueGos$ los cuales son lue"o calentados a 4422 a 4A22 "rados. Estos lin"otes roo ce cerez reza a sal salen en del horno horno listos listos para para la for fora. a. /a /as s op opera eracio ciones nes de for fora ado do automatizado trabaan matricescon m+ltiples. /ostoneladas lin"otes sedemueven deCada una matriz a otra donde soncon "olpeados casi A222 presión. matriz acerca la pieza cada vez más a su forma final. 0na vez &ue la fora se enfr!a$ la pieza está lista para el ma&uinado final y el tratamiento t*rmico.

Cuando se compara el acero forado el acero fundidoel ycontorno laminado observa &ue el acero forado tiene l!neascon de fluo &ue si"uen de se la pieza &ue está siendo producida. Estas l!neas de fluo hacen la pieza más fuerte en la dirección de fluo y la ayudan a resistir las fisuras a lo lar"o de estas l!neas.

-iez -iezas as &u &ue e se util utiliz izan an en apli aplica caci cion ones es de al alto to es esfu fuer erzo zo se fa fabr bric ican an fre frecue cuente nteme mente nte de ace acero ro for forad ado. o. 0n ci"He ci"HeGal Gal de un motor motor es un buen buen eemplo. #ebe soportar las "randes car"as &ue se "eneran dentro de un motor  diesel. tros eemplos incluyen una biela y las herramientas de corte.

 

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