Materials i Processos de Conformació: Guia Essencial

Aliatges Fèrrics i No Fèrrics

Avantatges dels Aliatges Fèrrics

• Existència de grans reserves de minerals de ferro.
• Processos d’extracció, afinat i conformat a gran escala que permeten una producció econòmica.
• Material magnètic: fàcil de separar i reciclar.
• Bon balanç de propietats mecàniques: Rigidesa, Resistència, Tenacitat, límit de fatiga, etc.
• Versatilitat microestructural: El mateix material pot tenir diferents propietats adaptant-se a diverses aplicacions.

Inconvenients dels Aliatges Fèrrics

• Elevada densitat (7.87 g/cm³).
• Baixa resistència a la corrosió.
• Baixes conductivitats elèctrica i tèrmica.

Aliatges No Fèrrics (Comparativa)

• Més difícils i cars d’obtenir que els aliatges fèrrics.
• Més difícils d’oxidar (normalment mostren millor resistència a la corrosió).
• Millors conductors de la calor i l'electricitat.
• Mostren temperatures de fusió més baixes. Per tant, és més fàcil obtenir components per colada en un motlle.
• Més fàcils de mecanitzar.

Propietats Mecàniques dels Materials

Tenacitat:

Capacitat de suportar esforços sense trencar-se.

Rigidesa:

Capacitat de suportar esforços sense deformar-se.

Elasticitat:

Capacitat de recuperar la seva forma original.

Ductilitat / Mal·leabilitat:

Capacitat de poder-se deformar sense arribar a trencar-se.

Duresa:

Capacitat de no ser rascat, ratllat o penetrat.

Processos de Conformació de Metalls

Fosa i Emmotllament

• Procés relativament senzill.
• Es poden obtenir perfils complexos en una sola etapa.
• Dimensions finals poc controlades (retreball o porus de vegades).
• Adient per a metalls de baix punt de fusió.
• Microestructures finals no orientades.
• Elevat risc de defectes interns.
• Procés econòmic.

Pulvimetal·lúrgia

• Control dimensional excel·lent.
• Possibilitat de conformar tant elements porosos com no porosos.
• Límit en el volum de les peces (màxim 2 kg).
• Oxidació ràpida.
• Elevat cost.
• Estalvi energètic.

Etapes de la Pulvimetal·lúrgia

1. Obtenció de la pols: S'ha de preparar bé (mescla i additius com lubricants, defloculants...).
2. Compactació de la pols: Per vibració o per premsat mecànic.
3. Sinterització: Escalfament que provoca la unió de les partícules. (T_sinteritzar < T_fusió).

Deformació Plàstica

• Tensió superior al límit elàstic (SEMPRE).
• Tensió superior a la resistència mecànica (SOVINT).
• Temperatura de treball és menor que la temperatura de fusió.

Aquest procés es pot realitzar tant en fred, com en tebi, com en calent (com més calent, més deformació amb menys força aplicada).

Processos Específics de Deformació Plàstica

Forja:

Esforços de compressió (F/C) tant en fred com en calent. (Basat en cops).

Laminat:

Esforços de compressió amb corrons (F/C) tant en fred com en calent. S'utilitza per fer planxes, làmines i productes prims. (Utilitza rodets per aplanar el producte).

Trefilatge:

Estirat de productes llargs (F) només en fred. S'obtenen fils, filferros i components molt resistents. (Es tira d'un costat per allargar el material).

Extrusió:

Compressió i pas per broquet (F/C) tant en fred com en calent.

Tipus de Materials i Característiques Generals

Metalls:

• Sòlids “tous” (duresa moderada).
• Dúctils i mal·leables.
• Baixa temperatura de fusió.
• Elevada tenacitat (capaços de suportar esforços sense trencar-se).
• No són fràgils.
• Sòlids conductors.
• Baixa rigidesa.
• Corrosió (són propensos a oxidar-se).
• Pes elevat.

Polímers:

• Baixa densitat i gran versatilitat.
• Temperatures de fusió baixes, per tant, tenen un cost més reduït.
• Accessibles (poden ser naturals o sintètics).
• Baixa resistència a la temperatura.
• Dificultats en el reciclatge.

Classificació dels Polímers segons la Temperatura

• Termoplàstics (es deformen proporcionalment a la temperatura).
• Termoestables (materials que un cop conformats, tot i que s'escalfin, no canviaran la forma).
• Elastòmers (es deformen moltíssim, per sobre de la temperatura de transició vítria).

Ceràmics:

• Molt rígids i durs.
• Fràgils.
• Mals conductors de la calor.
• Limitats en les seves aplicacions.
• Dificultat en la fabricació i el processament.

Compostos (Composites):

• Material en el qual es barregen dos o més components de les tres famílies vistes (metalls, ceràmics i polímers).
• Presenten la millor combinació possible de propietats.
• No hi ha unió química entre fases.
• L’efectivitat del reforç depèn que la interfície matriu-fase dispersa funcioni correctament.
• Les fases constituents han de ser químicament diferents i han d’estar separades per una interfície (frontera) clarament definida.

Tèxtils:

En la indústria tèxtil, les matèries primeres utilitzades són les fibres tèxtils. Es defineixen com un sòlid relativament flexible i resistent amb una petita secció transversal i una elevada relació longitud/amplada.

Les seves característiques determinen la idoneïtat de la seva utilització en la fabricació dels articles tèxtils, depenent de l'ús al qual vagin destinats. Aquestes característiques han de ser mesurables i controlables.

Característiques a Mesurar de la Fibra Tèxtil

• Brillantor
• Color
• Densitat i pes específic
• Longitud i finor
• Tenacitat i Elasticitat
• Secció transversal

Elements i Aliatges No Fèrrics Específics

Alumini

Característiques

• Color platejat clar. S'obté de la bauxita. Molt abundant a la natura en forma d’aluminosilicats.
• Baixa densitat i baix punt de fusió.
• Bon conductor de la calor i l'electricitat.
• Bona resistència a l'oxidació (no tan bona quan està sotmès a tensions).
• Ductilitat elevada: fàcil de conformar i mecanitzar. Mal·leable.
• No és fàcil de soldar.

Aplicacions

• Envasos: llaunes de refresc.
• Indústria aeroespacial: fuselatges d’avions.
• Automoció: carrosseries.
• Finestres, màquines.
• Electrònica/elèctrica: conductors (cables).
• Utensilis de cuina, radiadors.

Titani

Característiques

• Metall de transició de color gris plata.
• Densitat baixa: 4.5 g/cm³.
• Elevada resistència mecànica (comparable a l’acer en moltes aplicacions).
• Temperatura màxima d’ús: 350 – 400 ºC.
• Alta resistència a la corrosió.
• Preu elevat que limita l'ús industrial massiu.

Aplicacions

• Medicina: Pròtesis de maluc, genoll, cargols ossis.
• Automòbil.
• Aeronàutica/Aeroespacial.
• Militar: Blindatge en carrosseries de vehicles lleugers.

Magnesi

Característiques

• Abundant al mar, però d’extracció cara.
• Baixa temperatura de fusió (650 ºC).
• Rigidesa i resistència moderades.
• Baixa densitat (1.74 g/cm³).
• Molt reactiu. Oxidació molt ràpida i violenta fins al punt que s’inflama. Calen precaucions per usar-lo en calent o en contacte amb líquids.
• A temperatura ambient, bona resistència a la corrosió seca, mala resistència als ambients marins.

Aplicacions

• Eines elèctriques, aeronàutica, informàtica, etc.
• Components d’automoció.

Coure

Característiques

• Dúctil i mal·leable (se'n fan fils i làmines).
• Elevades conductivitats tèrmica i elèctrica.
• Resistent a l'oxidació.
• Preu elevat.
• Densitat alta (8.90 g/cm³).
• Punt de fusió alt (1083 °C).
• Baixa resistivitat elèctrica.

Aplicacions

• Cables elèctrics.
• Canonades de conducció d’aigua.
• Elements decoratius i artístics.

Níquel

Característiques

• Elevada densitat (8.9 g/cm³).
• Rigidesa i resistència mecànica semblants a les del Fe.
• Gran resistència a la corrosió en la majoria de condicions (en especial en medi bàsic).
• Resisteix bé temperatures de treball altes. Se'n fan "superaliatges".

Aplicacions

• Fabricació de bombes, vàlvules i components en contacte amb àcids.
• Fabricació de monedes.

Polímers: Tipus i Processos de Fabricació

Tipus de Polímers segons la Resposta Tèrmica

Termoplàstics

• Es deformen proporcionalment a la temperatura (ex. poliolefines).
• En escalfar-se per sobre de la seva T_g, s’estoven i es comporten com fluids, adoptant la forma d’un recipient.
• Una vegada conformats, si es tornen a escalfar, s’estoven de nou i perden la forma.
• Poden ser lineals i ramificats, amb interaccions "febles".
• Es poden conformar per injecció, extrusió i compressió.

Termoestables

• Una vegada conformats, ja no es deformen (ex. metacrilats, resines, baquelites).
• No flueixen per efecte de la temperatura.
• Poden ser fluids durant el conformat, però quan finalitza aquest procés, adopten una forma final definitiva.
• Són rígids i generalment tenen estructures creuades i reticulades.

Elastòmers

• Es deformen moltíssim, per sota de la T_g (Temperatura de Transició Vítria, ex. -62 ºC).
• Tenen cadenes molt flexibles, cosa que els proporciona gran capacitat de deformació elàstica (recuperen la forma original quan cessa la tensió aplicada).
• Comportament "gomós".
• Poden ser termoplàstics (reticles no covalents) o termoestables (reticles covalents).

Processos de Polimerització

La Polimerització és la unió de mers que provoca la formació de cadenes llargues que constitueixen els polímers.

El procés es pot dur a terme de dues maneres:

Polimerització per Addició

• Es produeix un trencament de dobles enllaços que s’obren per donar lloc a nous punts d’unió.
• Els polímers d’addició són termoplàstics.
• Poden tenir estructures lineals o ramificades.
• La longitud de la cadena pot ser molt diversa.

Etapes de la Polimerització per Addició

1. Iniciació: Trencament dels dobles enllaços.
2. Propagació: Unió de "unitats" (obertes i senceres).
3. Finalització: Tancament del procés per unió d’unitats "obertes" (ja no queden molècules lliures).

Polimerització per Condensació

• Unió de 2 monòmers o de cadenes curtes que genera un subproducte (molècula petita).
• Poden ser termoplàstics o termoestables.

El polímer resultant, sigui per addició o per condensació, és el producte de la reacció de n unitats. El paràmetre "n" s’anomena Grau de Polimerització. Com més gran és "n", més gran és la molècula (i més resistent, viscós i dur serà el polímer).

Processos de Transformació de Polímers

Extrusió de Polímers

Es fa passar un polímer estovat ("fos") a través d’un broquet per formar un perfil. La forma del broquet pot ser diversa. Sovint l’extrusió és una part d’un procés més complex de conformat i la forma final es defineix en processos posteriors.

Productes Obtinguts per Extrusió

• Obtenció de perfils.
• Obtenció de fibres.
• Obtenció de làmines i pel·lícules.

Modalitats d'Extrusió

• Coextrusió: 2 o 3 materials combinats passant per un mateix broquet.
• Extrusió-Bufat: Extrusió d’un tub.
• Extrusió-Bufat d’Ampolles.

Injecció de Polímers

Consisteix a introduir, sota pressió, un material polímer estovat (fos) dins un motlle. El polímer adapta la forma del motlle, i quan refreda, s'obté la peça conformada.

Ceràmics i Vidres: Limitacions i Conformació

Limitacions d’Ús dels Ceràmics i Vidres

• Temperatura de fusió:
  • Fins a 1400 ºC es poden conformar per fusió (vidres).
  • Per sobre, es conformen per pols + sinteritzat, la qual cosa implica una limitació en formes finals i dimensions.
• Fragilitat ↔ Baixa tenacitat: No absorbeixen impactes.
  • Es pot "millorar" en alguns casos: Ceràmics tenaços (canvis d’estructura cristal·lina que "tanquen" fissures).
• Baixa dilatació tèrmica: Això provoca un xoc tèrmic (fissuració/trencament per tensions tèrmiques).

Conformats dels Ceràmics Tecnològics

• Conformat per Compactació en fred + Sinteritzat.
• Conformat per Compactació en calent (HIP):
  • Compactació i sinterització simultànies.
  • Procés costós (motlles resistents a la temperatura).
  • Densitat elevada, porositat baixa.
  • Components de precisió.
• Conformat per Cementació (Cermets):
  • Compactació de ceràmic en pols.
  • Addició d’un metall (matriu) en pols o injectat.
  • Producte final amb porositat nul·la.
  • Conjunt dur (ceràmic) i conductor (matriu metàl·lica).
  • Aplicació: Eines de tall i mecanitzat (metall dur, widia).

Conformat de Vidres

Els vidres es conformen mitjançant:

• Fusió - Emmotllament.
• Estirat de fibres (es fa passar vidre fos per forats petits, surten làmines o "espaguetis").
• Estirat de tubs.
• Estirat de formes planes.
• Laminat.
• Flotació.

Composites (Materials Compostos)

Un Composite és un material multifase obtingut artificialment. Les fases constituents han de ser químicament diferents.

Exemples de Composites Naturals

• Fusta: Fibres de cel·lulosa flexible en una matriu de lignina rígida.
• Ossos: Col·lagen (resistent però tou) reforçat amb apatita (mineral dur i fràgil).

En general, els compostos industrials estan formats per dues fases:

• Matriu: Contínua, envolta l’altra fase.
• Fase Dispersa: La fase envoltada per la matriu.

Processos de Conformació dels Compostos

• Laminat (Emmotllament per contacte).
• Laminat amb succió de membrana (motlle porós).
• Laminat amb membrana a pressió (motlle no porós).
• Laminat per atomització (Projecció simultània).
• Emmotllament per compressió.
• Buidat centrífug (Pressió centrífuga = pressió de compactació).
• Conformat continu.
• Conformat per injecció.
• Conformat per injecció amb resina líquida.
• Bobinat.
• Pultrusió.

Resum de Mètodes Més Importants

• Contacte
• Projecció
• Injecció
• Centrífug
• Extrusió
• Bobinat
• Pultrusió
• Laminat continu
• Laminat de tubs