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

FECHA DE ENTREGA: 11 DE FEBRERO DE 2013

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

CONCLUSIONES ............................................................................................................................ 15

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

Ilustración 4. Forjado actual

CROQUIS DEL LABORATORIO DE FORJA Y T.T.

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

23 Horno de gas para tratamientos térmicos

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

de los dos tratamientos se le conoce como “bonificado”. Consiste en calentar el acero después del

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.