Microestructura en Lingotes de Metal Puro

Describe la microestructura característica que se obtiene en un lingote de metal puro obtenido por colada en lingotera, en la que se produce un sub-enfriamiento térmico inicial en la zona de contacto con la pared.

• El fundido que está en contacto con las paredes frías del molde genera un fuerte subenfriamiento del líquido a una temperatura inferior a la de fusión.
• En el centro de la fundición normalmente se forma una zona de granos equiaxiales que contiene granos nuevos orientados al azar que detienen el crecimiento de los granos columnares.

Tipos de Moldeo: Características del Molde y del Modelo

Describe los diferentes tipos de moldeo atendiendo a las características del molde y del modelo utilizado para su fabricación.

Molde Permanente y Modelo Desechable

• Fundición en arena:
  • Es un proceso rápido, fácilmente automatizable, proporciona buenos acabados, así como buena precisión dimensional y permite obtener espesores finos.
  • Se utiliza para fabricar bloques de motores de automóviles, bocas de incendios y accesorios de tuberías grandes.

Colada con Molde Permanente

• Modelo en toquilla:
  • Molde metálico: acero o fundición compuesto de dos mitades diseñadas para abrirse o cerrarse con facilidad.
  • Se utiliza para metales de bajo punto de fusión: aleaciones de aluminio, de magnesio, bronces, latones…
  • Para considerar el proceso rentable se deben producir series de 1000 o más piezas.
  • Ofrece buen acabado superficial, control dimensional y una microestructura de grano fino debido a la rápida evacuación del calor durante la solidificación.
  • Se utiliza para fabricar cuerpos de bombas, pistones y piezas destinadas a la industria aeronáutica y armamentística.
• Moldeo por inyección:
  • El fundido se inyecta a gran presión (10 y 210 MPa).
  • Se aplica a grandes series de piezas de metales de bajo punto de fusión (Mg, Zn y Cu), polímeros y cerámicos que requieren buenos acabados superficiales y alta tolerancia dimensional.
  • Ofrece altas velocidades de producción con un coste bajo y microestructura final de grano fino debido a la rapidez del enfriamiento, lo que resulta en buenas propiedades mecánicas.
• Moldeo por centrifugación:
  • Molde permanente que gira a alta velocidad (300 y 3000 rpm).
  • Conduce a materiales de grano fino en el interior y extremadamente fino en la pared exterior, mejorando significativamente la resistencia a la corrosión de los elementos tubulares.
  • Se pueden fabricar tubos o piezas cilíndricas huecas.
  • Se moldean fundiciones, aceros y aleaciones de Al, Cu y Ni.

Colada con Molde o Modelo Desechable

• Moldeo a la cera perdida
  • Se utiliza para fabricar piezas con buen acabado superficial, tolerancias dimensionales ajustadas y piezas de pequeño diámetro.

Nucleación Homogénea y Heterogénea en la Solidificación

Explica en qué consiste la nucleación homogénea y heterogénea y cuáles son las principales variables que intervienen en el proceso de solidificación y crecimiento de núcleos.

Tipos de Nucleación

• Nucleación homogénea: generación espontánea de cristales en el seno del líquido cuando el subenfriamiento es suficiente.
• Nucleación heterogénea: con agentes nucleantes (impurezas) que favorecen la generación de cristales, proveen una superficie sobre la cual se puede formar el sólido. Las velocidades de nucleación de embriones aumentan con el grado de subenfriamiento por disminución del diámetro crítico estable.

Principales Variables

• Tamaño y forma de la microestructura está regulado por dos factores:
  • La velocidad de formación de embriones o la velocidad de nucleación, Vn, número de núcleos que se forman en la unidad de volumen por unidad de tiempo que aumenta a medida que lo hace el grado de subenfriamiento (velocidad de enfriamiento) por disminución del radio crítico.
  • La velocidad de crecimiento del grano, Vc, que es la velocidad lineal con la que crecen los núcleos durante la solidificación.
• Crecimiento: Se produce a medida que los átomos se integran a la superficie del sólido. La forma de los granos depende de la forma en que se va extrayendo calor del sistema.
  • Crecimiento planar que ocurre por el desplazamiento de la interfase sólido-líquido lisa o plana hacia el líquido siendo el molde quien absorbe el calor latente.
  • Crecimiento dendrítico cuando la nucleación es débil y el líquido se subenfría antes de que se forme el sólido, una protuberancia sólida pequeña llamada dendrita se forma y crece en la interfase.

Endurecimiento y Ablandamiento en la Deformación Plástica en Caliente

Explica en qué consisten los procesos de endurecimiento y ablandamiento que tienen lugar durante la deformación plástica en caliente de los materiales metálicos.

Endurecimiento

Conformado en Caliente: Si se realiza por encima de la temperatura de recristalización (0,6-0,9 Tf) por lo que no se pierde plasticidad durante el proceso. Niveles altos de temperatura posibilitan una fluencia continua, con velocidad constante, por lo que las fuerzas de deformación son constantes durante todo el proceso: fluencia sin endurecimiento. Creación de dislocaciones por acción mecánica aumentando la temperatura y la fluencia a su vez.

Ablandamiento

• Restauración: Disminución de la concentración de dislocaciones formando micelas.
• Recristalización: Formación de nuevos granos cristalinos más pequeños.

Restauración y Recristalización en la Deformación Plástica en Caliente

Describe los procesos de restauración y recristalización que tienen lugar durante la deformación plástica en caliente de los materiales metálicos. Señala cuándo estos procesos son dinámicos o estáticos.

Tras el proceso de conformado en caliente se forman micelas, los granos que antes eran de mayor tamaño se vuelven más pequeños, además sufren una reordenación.

• Restauración: Disminuye la concentración de dislocaciones formando micelas.
• Recristalización: Formación de granos cristalinos más pequeños.
• Procesos dinámicos: Si son simultáneos y ocurren durante el proceso de conformado.
• Procesos estáticos: Si ocurren posteriormente al proceso de conformado en caliente.

Métodos de Conformado Plástico de Materiales Metálicos

Describe los principales métodos de conformado plástico de materiales metálicos, tanto en frío como en caliente. Indica las características principales de cada uno de ellos.

Conformado en Frío

1. Trefilado: Consiste en reducir la sección de un producto metalúrgico (una barra de metal dúctil, alambre, etc.) haciéndolo pasar, mediante tracción, por unos orificios calibrados llamados hileras, de sección inferior a la de la pieza que se va a trabajar.
2. Embutición: Es un proceso que consiste en deformar una chapa para que adquiera una forma determinada mediante un punzón que actúa sobre el material para asimilar su forma a la de la matriz. Es un proceso lento que produce deformaciones muy elevadas.
3. Hidroconformado: Es un proceso de formado en frío de tubos y otros componentes, que se realiza aplicando presión mediante un fluido apropiado. El proceso consiste en colocar la preforma hueca en el interior de un molde, que se cierra posteriormente de forma hermética. A continuación, se introduce un fluido en el interior de la preforma hueca a elevada presión, a la vez que se mantiene la fuerza de cierre en los topes. La presión aplicada al fluido es hidrostática, por lo que es igual en todos los puntos de la pieza, que se deforma rellenando la cavidad del molde.

Conformado en Caliente

1. Forja: Consiste en la conformación de piezas aplicando fuerzas de compresión unidireccionales por presiones realizadas con prensas hidráulicas, o por la energía descargada en los golpes proporcionados por máquinas de impacto o martillo.
   1. Forja cerrada:
      • Matriz de impresión cerrada o estampa, generalmente de dos piezas, que tienen la forma que se desea conferir al material y debe permitir la fácil extracción del producto conformado.
      • La mitad de la matriz está sujeta a la maza o émbolo y la otra mitad al yunque.
      • El impacto de la maza o la presión del émbolo sobre la pieza calentada le obliga a llenar todo el hueco de las semimatrices teniendo que salir el material sobrante por conductos habilitados al efecto.
2. Extrusión: Consiste en hacer fluir un material a presión a través de orificios provistos de formas determinadas. Dependiendo de la ductilidad del material puede hacerse en frio «plomo» o en caliente desde 1500°C para el Zn a 1200°C para acero dulce.
3. Laminación: Consiste en hacer pasar un material de forma continua entre dos rodillos superpuestos que giran a la misma velocidad, pero en sentido contrario, de forma que reducen la sección del material debido a la fuerza aplicada.
   1. Laminación en frío:
      • No produce afino de grano ni endurecimiento por precipitación.
      • Cambio en la textura del material.
      • Endurecimiento por deformación.
      • Alargamiento de grano.
      • Acritud Eliminada por recocido.
      • Excelente acabado superficial.
      • Geometría ajustada y estructura homogénea.
   2. Laminación controlada: Laminación controlada: la nucleación de la ferrita ocurre en el interior de los granos a partir de subgranos originados por la deformación (recristalización) que se transforman en granos de tamaño muy inferior a los originales e independiente de los mismos. Laminación tradicional: nucleación ferrita en las fronteras de grano.

Pulvimetalurgia o Sinterización de Polvos

Describe las principales etapas del proceso de obtención de materiales conocido como pulvimetalurgia o sinterización de polvos.

1. Obtención de polvos:
   • La molienda: Fractura de los granos del material por impacto sucesivo de las bolas o rodillos de una máquina machacadora.
   • Aleación mecánica: Se emplea molino de bolas de alta energía. Durante la molienda al tiempo que se fracturan las partículas se forman soldaduras locales entre los polvos que son aleantes.
   • Técnicas electroquímicas: La electrolisis de una solución acidificada de sulfato de cobre se lleva a cabo entre un ánodo de Cu y un cátodo.
   • Atomización: Se hace pasar un chorro de metal fundido frente a una corriente de gas inerte comprimido.
   • Fabricación química: Son las técnicas más numerosas ya que permiten obtener las partículas con tamaño y forma a la carta según se controlen los parámetros de la reacción.
2. Mezcla: Mezcla de componentes en función del producto.
3. Conformado:
   • CONFORMADO EN SECO / PRENSADO
     • Prensado uniaxial:
       • Simple efecto: Presión aplicada por un solo lado.
       • Doble efecto: Presión aplicada por los dos extremos.
     • Prensado isostático en frío o en caliente
   • CONFORMADO PLÁSTICO / MOLDEO
     • Extrusión.
     • Moldeo por inyección.
   • CONFORMADO VÍA LÍQUIDA / COLAJE
     • Colaje / Colaje con presión
4. Sinterizado:
   • Formando uniones o «cuellos» entre las partículas. Es una difusión superficial.
   • Disminución del área sólido-sólido mediante crecimiento de los granos. Hay una difusión volumétrica.
5. Acabado:
   • Existen tanto métodos abrasivos como no abrasivos (para mejorar la calidad de sus superficies).

Parámetros para Caracterizar el Polvo en Pulvimetalurgia

Explica los principales parámetros que se utilizan para caracterizar el polvo utilizado como materia prima en el proceso pulvimetalúrgico.

Hay cuatro parámetros particularmente relevantes:

• Densidad de las partículas: Se caracteriza mediante la Técnica del picnómetro.
• Tamaño de partícula: Suele oscilar entre 1 mm y 0.1 micrómetros.
• Forma de la partícula: En general, existen diferentes expresiones o modelos matemáticos que permiten cuantificar la forma de una partícula en relación a una esfera. Esto es importante, porque en teoría las formas esféricas determinan el empaquetamiento o densidad que puede alcanzar un lecho de partículas.
• Superficie específica: La superficie específica es una propiedad de los sólidos que relaciona el área superficial total y la masa del sólido o volumen en bruto. Es una magnitud científica que puede ser utilizada para determinar el tipo y propiedades de un material. Se la define tanto como área superficial dividida por masa (en cuyo caso sus unidades son m³/kg), o área superficial dividida por el volumen (en cuyo caso sus unidades son m²/m³.

Métodos de Conformado de Piezas a Partir de Polvos

Señala y describe brevemente los principales métodos de conformado de piezas a partir de polvos. Clasifícalos atendiendo al contenido de humedad o fase líquida necesaria para dicho conformado.

• CONFORMADO EN SECO / PRENSADO
  • Prensado uniaxial
    • Simple efecto: Presión aplicada por un solo lado.
    • Doble efecto: Presión aplicada por los dos extremos.
  • Prensado isostático en frío o en caliente

    Se obtiene la forma deseada de la pieza en verde, con dimensiones muy aproximadas por medio de una fuerte compresión del polvo que rellena el molde que es el negativo volumínico de la pieza a obtener y con resistencia suficiente para permitir su extracción del molde y manipulación.

• CONFORMADO PLÁSTICO / MOLDEO
  • Extrusión
  • Moldeo por inyección
• CONFORMADO VÍA LIQUIDA / COLAJE
  • Colaje / Colaje con presión
  • Colaje en cinta
  • Colaje con congelación
• Prototipado rápido o Impresión 3D:
  • Extrusión.
  • Hilado.
  • Granulado.
  • Lecho de polvo con inyección de tinta.
  • Laminado.
  • Luz polimerizada.

Diagramas de Pourbaix: Corrosión y Pasividad de Metales

¿Qué información es posible conocer a partir de los diagramas de Pourbaix? Describe el comportamiento de los metales en las tres zonas principales que suelen representar dichos diagramas.

A partir de datos termodinámicos es posible conocer:

• En qué condiciones de pH y E se forman productos sólidos óxidos/hidróxidos que pueden pasivar a la superficie y disminuir/detener la corrosión.
• Las condiciones en que estos productos se disuelven y se vuelve a producir la corrosión.

Los diagramas de Pourbaix establecen las distintas fases termodinámicamente estables para cada sistema metal-electrolito en función del pH y E.

• Zona de inmunidad: El metal en su forma elemental no se produce corrosión.
• Zonas de corrosión: Indica que el producto de la corrosión en esas zonas es soluble en el electrolito.
• Zonas de pasividad: Productos sólidos estables como óxidos e hidróxidos forman una capa protectora que aísla al metal del electrolito.

• Disminuye potencial: zona inmunidad.
• Aumenta el potencial: zona de pasividad.

Serie Galvánica vs. Serie Electromotriz: Corrosión de Metales

Señala las diferencias entre la serie galvánica y la serie electromotriz. ¿Qué información se puede obtener a partir de ambas series? ¿Qué implica que un metal actúe como cátodo o como ánodo?

Diferencias

En la galvánica se incluyen aleaciones y nos indica su potencial, sino que solo se ordenan de acuerdo con su comportamiento en un determinado medio.

Información Obtenida

• Serie galvánica: Disposiciones ordenadas de metales y aleaciones de acuerdo con sus potenciales relativos medidos en un determinado medio.
• Serie electroquímica: En función de la posición de la actividad o inactividad creciente si son susceptibles a oxidarse son reductores conforme descendemos en la tabla (en condiciones estándar).

Implicación Ánodo / Cátodo

El metal con menor resistencia en el medio es el que actúa como ánodo. La situación más desfavorable es cuando el área del ánodo es más pequeña que el cátodo.

Potenciales Normales de Electrodo y Corrosión Metálica

Explica en qué consisten los potenciales normales de electrodo y qué información facilitan relativa al proceso de corrosión de los metales.

El potencial normal de electrodo es la diferencia de potencial que le corresponde a una celda construida con un electrodo de ese elemento y electrodo estándar de hidrógeno.

Los voltajes se refieren a las semireacciones de reducción para la oxidación, El sentido de la reacción es el inverso y el signo del potencial del electrodo cambia.

Unión con Adhesivos: Etapas y Parámetros Clave

Describe las etapas que generalmente tienen lugar durante el proceso de unión con adhesivos. Identifica qué parámetro o propiedades resultan claves para que se produzca una buena unión.

Etapas

• Física: Evaporación del vehículo líquido en el que se encuentra disperso el adhesivo o por solidificación.
• Química: Polimerización por condensación/adición o reticulación/entrecruzamiento.

Parámetros o Propiedades Clave

• Aplicar adhesivo en estado líquido. Las fuerzas adhesivas serán más intensas cuanto mayor sea su capacidad para humectar o mojar la superficie.
• Disminuye viscosidad: aumenta adhesión.
• Preparación del sustrato y del adhesivo. La intensidad de las fuerzas de cohesión dependen del estado superficial del adherente y resultan debilitadas por la presencia de elementos extraños.

Tensión Superficial y Energía Superficial en la Unión con Adhesivos

Explica por qué la tensión superficial y la energía de superficie son parámetros claves para la realización de uniones mediante adhesivos.

Tensión Superficial

Todos los adhesivos deben ser líquidos en el momento de aplicación, los adhesivos sólidos deben pasar a una fase líquida, por disolución, dispersión o derretimiento antes de ser aplicado.

Un excelente pegado exige una baja tensión superficial del adhesivo.

Energía Superficial

Se define como la suma de todas las fuerzas intermoleculares que se encuentran en la superficie de un material, es decir el grado de atracción o repulsión que la superficie de un material ejerce sobre otro.

Podemos definir la tensión superficial como la resistencia que presenta un líquido a deformarse o romperse, dicha resistencia viene definida directamente por las fuerzas intermoleculares que se encuentran en la superficie.