¿Cómo afecta la estructura del grano de los metales en la cinta enrollada al conformado de una pieza? Metales en la industria

Los productos metálicos planos suelen especificarse según un conjunto de propiedades mecánicas. La resistencia a la tracción final, el límite elástico del 0,2%, el porcentaje de alargamiento y la dureza son representaciones aplicadas de cómo se comportan los componentes de un determinado material en respuesta a una fuerza aplicada. La resistencia a la tracción, el límite elástico y el alargamiento son métricas eficaces para gestionar los límites de la materia prima; hasta qué punto se doblará antes de romperse. Esto es especialmente pertinente para los estampadores. Sin embargo, hay enormes beneficios potenciales al examinar una capa más profunda de la estructura del grano que gobierna su comportamiento mecánico.

¿Qué son los granos metálicos?

Un metal está formado por un conjunto de cristales microscópicos llamados granos, orientados aleatoriamente en todo el material. Los bloques que componen un grano individual son los átomos de los elementos constitutivos de una aleación, como el carbono, el hierro, el níquel, el cromo... etc., mezclados en una solución sólida. Los granos de una aleación se producen a través de una disposición repetida de átomos, llamada estructura cristalina, influenciada por la composición química de la aleación.

Una sección homogénea de metal que consiste en una estructura cristalina repetitiva que forma uno o más granos puede denominarse fase. Las propiedades mecánicas de una aleación son una función de las estructuras cristalinas existentes en la aleación y del tamaño y la disposición de los granos de cada fase.

¿Cómo se forman los granos en una aleación?

Los granos de una aleación se forman durante su solidificación desde el estado líquido al sólido. A menos que se tenga un enorme cuidado para facilitar la precipitación y el crecimiento de un grano individual cuando un metal se solidifica a partir de su forma líquida, los granos sólidos de la fase termodinámicamente preferida se precipitarán esencialmente en cualquier lugar que la presión, la temperatura y la composición química del material lo permitan.

Esto se debe a que los granos individuales se nuclearán donde puedan y crecerán hasta encontrar otro grano. Debido a la diferente orientación de sus estructuras cristalinas, se forma un "límite de grano" en la intersección de las retículas desiguales. Al final, todo el metal estará formado por estos granos aparentemente orientados al azar.

Cada vez que se forma un grano de metal, existe la posibilidad de que haya uno o más defectos de línea o piezas faltantes de una estructura cristalina, lo que se conoce como dislocación. Estas imperfecciones, las dislocaciones en una estructura cristalina, y su posterior movimiento a lo largo de un grano y a través de los límites de este son la base de la ductilidad del metal. Cuando todos los átomos están donde se supone que deben estar en una estructura cristalina, no hay espacio para el movimiento más allá de los enlaces atómicos que se estiran y las vibraciones en toda la estructura. Cuando se elimina un átomo, se crea una oportunidad para que otro átomo se deslice en ese lugar, desplazando efectivamente la dislocación. Cuando una fuerza actúa sobre la aleación en bruto, el movimiento agregado de las dislocaciones en una microestructura permite la deformación plástica sin fractura.

¿Cómo influyen los granos en las propiedades mecánicas?

Cuando una fuerza, como los rodillos de un laminador, actúa sobre la aleación, se le realiza un trabajo, lo que significa que se añade energía al sistema. Si se añade suficiente energía a la deformación plástica, las redes cristalinas se tensan y se forman nuevas dislocaciones. Puede parecer que esto debería aumentar la ductilidad porque hay más espacios libres y más potencial para el movimiento de dislocaciones. Sin embargo, cuando una dislocación se encuentra con otra dislocación, pueden fijarse mutuamente. A medida que el número y la concentración de dislocaciones aumentan, cada vez más dislocaciones se fijan entre sí, reduciendo la ductilidad. A la larga, habrá tantas dislocaciones que no podrán formarse más debido al trabajo en frío, ya que las dislocaciones fijadas existentes ya no pueden moverse; los enlaces atómicos de la red se estiran y estiran hasta que se rompen, provocando una fractura. Esta es la razón por la que las aleaciones se trabajan en frío y limitan la cantidad de deformación plástica que puede soportar una aleación en bruto antes de romperse.

Los granos también desempeñan un papel importante en el recocido. El recocido de un material suficientemente endurecido restablece esencialmente la microestructura para recuperar la ductilidad. Durante el recocido, los granos se transforman en 3 pasos:

1. Recuperación: Los granos deformados fijan su estructura cristalina eliminando o reordenando los defectos

2. Recristalización: Nuevos granos sin defectos se nuclean y consumen los granos originales

3. Crecimiento: Los nuevos granos sin defectos crecen y se consumen unos a otros.

Es esencial comprender que existe un nivel mínimo de deformación necesario para desencadenar la recristalización. Si el material no tiene suficiente energía de deformación almacenada antes de ser calentado, la recristalización no se producirá, y los granos seguirán creciendo más allá de su tamaño original.

Los fabricantes de metales pueden ajustar las propiedades mecánicas controlando el crecimiento del grano. Los límites de los granos son esencialmente una pared de dislocaciones y también obstaculizan el movimiento de las dislocaciones. Si se limita el crecimiento del grano, habrá un mayor número de granos más pequeños, que pueden considerarse más "finos" en términos de estructura de grano. Un mayor número de límites de grano implica un menor movimiento de dislocación y una mayor resistencia. Si se permite un mayor crecimiento de los granos, la estructura del grano se vuelve más "gruesa", con granos más grandes, menos límites y menor resistencia.

El tamaño del grano suele referirse a un número sin unidades, a menudo entre 5 y 15 aproximadamente. Se trata de una escala relativa relacionada con el diámetro medio del grano; cuanto más alto sea el número, más fino será el tamaño del grano. La metodología para medir y clasificar el tamaño del grano se describe en la norma ASTM E112 y consiste en contar el número de granos en un área determinada. Esto se suele conseguir cortando una sección transversal del material en bruto, esmerilando y puliendo, y grabando con ácido para revelar los granos. El recuento de los granos de metal se realiza en un microscopio con un aumento que permite un muestreo adecuado de los granos y puede ser automatizado. La asignación de un número de tamaño de grano ASTM sugiere un nivel razonable de homogeneidad en la forma y el diámetro del grano. Incluso puede ser ventajoso limitar la variación del tamaño de los granos, a 2 o 3 puntos, para garantizar la consistencia de las propiedades en toda la pieza.

En el caso del endurecimiento por trabajo, la resistencia y la ductilidad tienen una relación inversa. No es tan clara con el tamaño de grano. La relación entre el tamaño de grano ASTM y la resistencia suele ser positiva y fuerte. En general, el porcentaje de alargamiento y el tamaño de grano ASTM tienen una relación inversa, pero un crecimiento excesivo del grano puede dar lugar a un material "muerto y blando" que ya no puede endurecerse por trabajo de forma eficaz.

¿Cómo se controla el tamaño del grano?

El tamaño de grano de un material recocido variará con el tiempo a la temperatura y la velocidad de enfriamiento. La temperatura a la que se produce la recristalización viene determinada por la composición química y suele situarse entre el 30 y el 50% del punto de fusión. Mientras esté a temperatura, los procesos de recuperación y recristalización competirán entre sí hasta que los granos recristalizados consuman todos los granos deformados. Una vez completada la recristalización, el crecimiento de los granos toma el relevo. Si el material no se mantiene a temperatura durante el tiempo suficiente, la estructura resultante puede ser una combinación de granos viejos y nuevos. Si se desean propiedades uniformes en todo el metal, el proceso de recocido debe estar orientado a conseguir una estructura de grano uniforme y equiáxica. Uniforme significa que todos los granos tienen más o menos el mismo tamaño, y equiaxado significa que todos tienen aproximadamente la misma forma.

Para conseguir una microestructura uniforme y equidistante, cada pieza debe recibir la misma cantidad de calor durante el mismo tiempo y enfriarse a la misma velocidad. Este paso crítico requiere una gran precisión, y en él destacan los socios de laminación de precisión. Con el recocido por lotes, esto no siempre es fácil o posible, por lo que es esencial esperar al menos hasta que toda la pieza esté a temperatura antes de contar el tiempo de remojo. Un tiempo de remojo más largo y/o una temperatura más alta darán como resultado una estructura de grano más grueso / un material más blando y viceversa.

¿Cómo afecta la estructura del grano al conformado?

Si el tamaño del grano y la resistencia están relacionados, y la resistencia ya se conoce, ¿por qué molestarse en contar los granos?

Todos los ensayos destructivos tienen variabilidad. Los ensayos de tracción, especialmente en los espesores más bajos, dependen en gran medida de la preparación de la muestra. Las fracturas prematuras pueden dar lugar a resultados de resistencia a la tracción que no son representativos de las propiedades reales del material. Si las propiedades no son uniformes en toda la pieza, tomar un trozo de tracción de un borde podría no contar toda la historia. La preparación de las muestras y los ensayos también pueden requerir mucho tiempo. ¿Cuántas pruebas y en cuántas direcciones es posible realizar para un producto determinado? La evaluación de la estructura del grano es un seguro adicional contra las sorpresas.

Más allá de la resistencia, la isotropía/anisotropía puede entenderse mejor a través de la estructura del grano. La anisotropía se refiere a la direccionalidad de las propiedades mecánicas. Una estructura de grano uniforme y equiáxica debería ser isotrópica, es decir, tener las mismas propiedades en todas las direcciones. La isotropía es vital en los procesos de embutición profunda, donde la concentricidad es fundamental. Cuando una pieza en bruto se embute en una matriz, el material anisótropo no fluirá de manera uniforme, lo que dará lugar a un defecto llamado earing, en el que la sección superior de la copa desarrolla un perfil ondulado. La inspección de la estructura del grano puede revelar dónde se encuentra la falta de uniformidad en la pieza y ayudar a diagnosticar la causa principal.

Un recocido adecuado es esencial para lograr la isotropía, pero también es importante comprender el nivel de deformación antes del recocido. A medida que el material se deforma plásticamente, los granos comenzarán a distorsionarse. En el caso de la laminación en frío, donde el espesor se convierte en longitud, los granos se alargarán en la dirección de laminación. A medida que la relación de aspecto de los granos cambia, también lo harán la isotropía y las propiedades mecánicas del material. En el caso de una pieza muy deformada, parte de la dirección puede conservarse incluso después del recocido, lo que da lugar a la anisotropía. En el caso de los materiales de embutición profunda, a veces es necesario limitar la cantidad de deformación antes del recocido final para evitar la anisotropía.

Earing no es el único defecto de embutición relacionado con el grano. La piel de naranja puede producirse cuando se embute materia prima con granos demasiado gruesos. Cada grano se deforma de forma independiente y en función de su orientación cristalográfica. Las diferencias de deformación entre los granos vecinos dan lugar a un aspecto texturizado parecido a la piel de naranja. La textura es la estructura del grano que se revela en la superficie de la pared de la copa. Al igual que los píxeles en una pantalla de televisión, las diferencias de cada grano individual serán menos aparentes con una estructura de grano más fina, aumentando efectivamente la resolución. Cuando se trata de evitar la piel de naranja, especificar únicamente las propiedades mecánicas puede no ser suficiente para garantizar un tamaño de grano lo suficientemente fino.

Para explicar el efecto de la piel de naranja, cuando el cambio en las dimensiones de una pieza es inferior a diez veces el diámetro del grano, las propiedades de los granos individuales determinarán el comportamiento del conformado. Como demuestra el efecto visual de la piel de naranja en la pared de una copa embutida. Para un tamaño de grano ASTM de 8, el diámetro medio de los granos es de 885 µin, lo que significa que cualquier reducción de espesor de 0,00885" o menos puede estar influida por este "efecto de microformación". Esta es también una de las razones por las que los resultados de la resistencia a la tracción y el límite elástico de las probetas más delgadas disminuyen al disminuir el espesor y aumentar el tamaño del grano.

Aunque los granos gruesos pueden causar problemas en la embutición profunda, a veces se recomiendan para la acuñación. El acuñado es un proceso de deformación en el que se comprime una pieza en bruto para impartir la topografía superficial deseada, como el perfil de George Washington en una moneda de 25 centavos. A diferencia de la embutición, el acuñado no suele implicar mucho flujo de material a granel y requiere una gran cantidad de fuerza, que sólo puede deformar plásticamente la superficie de la pieza en bruto. Por esta razón, minimizar la tensión de flujo en la superficie utilizando una estructura de grano más grueso puede ayudar a mitigar la fuerza necesaria para el correcto llenado del troquel. Esto es especialmente aplicable en la acuñación en matriz abierta, donde se permite que las dislocaciones en los granos de la superficie fluyan libremente en lugar de acumularse en los límites de los granos.

La importancia de la comunicación de ingeniero a ingeniero entre los formadores de metales y los proveedores de materiales

Los fabricantes de embutición profunda y los estampadores de metal de precisión que producen piezas metálicas estarían bien asesorados si se asociaran con metalúrgicos de una relaminadora de precisión con capacidades técnicas de alto nivel. Los socios de relaminado con estas capacidades pueden ayudar a los productores de piezas estampadas a optimizar su material incluso a nivel de grano.

Un fabricante de flejes o láminas con capacidad técnica dispone de los conocimientos sobre materiales y la experiencia necesaria para medir y controlar una amplia gama de variables sutiles que pueden influir positivamente en la producción de las piezas estampadas y en su calidad final.

La colaboración bidireccional entre ingenieros es fundamental para el éxito de la fabricación de piezas de precisión, especialmente cuando se aplica al desarrollo de nuevos productos. Cuando los expertos en metalurgia e ingeniería de ambas partes de la relación proveedor-fabricante se integran en un solo equipo, puede tener efectos transformadores en las piezas acabadas. El equipo de ingenieros y metalúrgicos de Ulbrinox tiene una gran experiencia en la producción de metal para estampadores con algunas de las tolerancias y características de material más estrictas del sector. Trabajando juntos, especialmente cuando se trata de granos, podemos ayudar a su empresa a superar algunos de los retos más difíciles del ámbito del metal.

Las tendencias comentadas anteriormente son generalizaciones que pueden no aplicarse a cualquier pieza específica formada a partir de láminas o flejes metálicos planos. Sin embargo, ponen de manifiesto las ventajas de medir y estandarizar el tamaño del grano de la materia prima mientras se diseña una nueva pieza para evitar los errores más comunes y optimizar los parámetros de conformación. Póngase en contacto con un ingeniero hoy mismo para hablar de los requisitos y especificaciones con los que trabajará en su próximo proyecto.

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