Un lingote de acero tiene un uso muy reducido hasta que le es dada una forma tal que pueda usarse en un proceso de manufactura. Si el lingote es admitido en frío, se vuelve bastante difícil, si no imposible, convertir el material por medios mecánicos en una forma estructural, acero en barra o lámina. Sin embargo, si el lingote se trabaja en caliente, puede martillarse, prensarse, rolarse o extruirse en otras formas. Debido a la desoxidación y otras desventajas del trabajo en caliente a temperaturas elevadas, la mayoría de los metales ferrosos se trabajan en frío o se terminan en frío después del trabajo en caliente para obtener un buen acabado superficial, alta exactitud dimensional y mejorar las propiedades mecánicas.

La forja fue el primer método de trabajo en caliente como se muestra en la histórica fotografía de la Fig.1. Una prensa movida por una fuente de potencia general y una banda desde los árboles, tiene un brazo descendente y golpea un pedazo caliente de metal colocado en un dado. Los procesos, mientras la tecnología se ha mejorado, hoy permanecen semejantes.

DEFORMACION PLASTICA

Los dos tipos principales de trabajo mecánico en los cuales el material puede sufrir una deformación plástica y cambiarse de forma son trabajos en caliente y trabajos en frío

Como muchos conceptos metalúrgicos, la diferencia entre trabajo en caliente y en frío no es fácil de definir. Cuando al metal se le trabaja en caliente, las fuerzas requeridas para deformarlo son menores y las propiedades mecánicas se cambian moderadamente. Cuando a un metal se le trabaja en frío, se requieren grandes fuerzas, pero el esfuerzo propio del metal se incrementa permanentemente.

La temperatura de recristalización de un metal determina si el trabajo en caliente o en frío está siendo cumplido o no. El trabajo en caliente de los metales toma lugar por encima de la recristalización o rango de endurecimiento por trabajo. El trabajo en frío debe hacerse a temperaturas abajo del rango de recristalización y frecuentemente es realizado a temperatura ambiente. Para el acero, la recristalización permanece alrededor de 500 a 700 °C, aunque la mayoría de los trabajos en caliente del acero se hacen a temperaturas considerablemente arriba de este rango. No existe tendencia al endurecimiento por trabajo mecánico hasta que el limite inferior del rango recristalino se alcanza. Algunos metales, tales como el plomo y el estaño, tienen un bajo rango recristalino y pueden trabajarse en caliente a temperatura ambiente, pero la mayoría de los metales comerciales requieren de algún calentamiento. Las composiciones aleadas tienen una gran influencia sobre todo en el rango de trabajo conveniente, siendo el resultado acostumbrado aumentar la temperatura del rango recristalino. Este rango también puede incrementarse por un trabajo anterior en frío.

Durante todas las operaciones de trabajo en caliente, el metal está en estado plástico y es formado rápidamente por presión. Adicionalmente, el trabajo en caliente tiene las ventajas siguientes:

1. La porosidad en el metal es considerablemente eliminada. La mayoría de los lingotes fundidos contienen muchas pequeñas sopladuras. Estas son prensadas y a la vez eliminadas por la alta presión de trabajo.
2. Las impurezas en forma de inclusiones son destrozadas y distribuidas a través del metal.
3. Los granos gruesos o prismáticos son refinados. Dado que este trabajo está en el rango recristalino, seria mantenido hasta que el límite inferior es alcanzado para que proporcione una estructura de grano fino.
4. Las propiedades físicas generalmente se mejoran, principalmente debido al refinamiento del grano. La ductilidad y la resistencia al impacto se perfeccionan, su resistencia se incrementa y se desarrolla una gran homogeneidad en el metal. La mayor resistencia del acero laminado existe en la dirección del flujo del metal.
5. La cantidad de energía necesaria para cambiar la forma del acero en estado plástico es mucho menor que la requerida cuando el acero está frío.

Todos los procesos de trabajo en caliente presentan unas cuantas desventajas que no pueden ignorarse. Debido a la alta temperatura del metal existe una rápida oxidación o escamado de la superficie con acompañamiento de un pobre acabado superficial. Como resultado del escamado no pueden mantenerse tolerancias cerradas. El equipo para trabajo en caliente y los costos de mantenimiento son altos, pero el proceso es económico comparado con el trabajo de metales a bajas temperaturas.

El término acabado en caliente, se refiere a barras de acero, placas o formas estructurales que se usan en estado "laminado" en el que se obtienen de las operaciones de trabajo en caliente. Se hacen algunos desescamados pero por lo demás el acero está listo para usarse en puentes, barcos, carros de ferrocarril, y otras aplicaciones en donde no se requieren tolerancias cerradas. El material tiene buena soldabilidad y maquinabilidad, dado que el contenido de carbono es menor del 0.25%.

Los principales métodos de trabajo en caliente de los metales son:

LAMINADO

Los lingotes de acero que no son refusionados y fundidos en moldes se convierten en productos utilizables en dos pasos:

1. Laminando el acero en formas intermedias-lupias, tochos y planchas.
2. Procesando lupias, tochos y planchas en placas, láminas, barras, formas estructurales u hojalata.

El acero permanece en las lingoteras hasta que su solidificación es casi completa, que es cuando los moldes son removidos. Mientras permanece caliente, los lingotes se colocan en hornos de gas llamados fosos de recalentamiento, en donde permanecen hasta alcanzar una temperatura de trabajo uniforme de alrededor de 1200 °C en todos ellos. Los lingotes entonces se llevan al tren de laminación en donde debido a la gran variedad de formas terminadas por hacer, son primero laminadas en formas intermedias como lupias, tochos o planchas. Una lupia tiene una sección transversal con un tamaño mínimo de 150 x 150 mm. Un tocho es más pequeño que una lupia y puede tener cualquier sección desde 40 mm hasta el tamaño de una lupia. Las planchas pueden laminarse ya sea de un lingote o de una lupia. Tienen un área de sección transversal rectangular con un ancho mínimo de 250 mm y un espesor mínimo de 40 mm. El ancho siempre es 3 o más veces el espesor y puede ser cuando mucho de 1500 mm. Placas, plancha para tubos y fleje se laminan a partir de planchas.

Un efecto del trabajo en caliente con la operación de laminado, es el refinamiento del grano causado por recristalización. Esto se muestra gráficamente en la Fig.2. La estructura gruesa es definitivamente despedazada y alargada por la acción de laminado. Debido a la alta temperatura, la recristalización aparece inmediatamente y comienzan a formarse pequeños granos. Estos granos crecen rápidamente hasta que la recristalización es completa. El crecimiento continúa a altas temperaturas, si además la elaboración no es mantenida, hasta que la temperatura baja del rango recristalino es alcanzada.

Los arcos AB y A'B' son arcos constantes sobre los rodillos. La acción de acuñadura en la elaboración es superada por las fuerzas de rozamiento que actúan en estos arcos y arrastran al metal a través de los rodillos. El metal emerge de los rodillos viajando a mayor velocidad de la que entra. En un punto medio entre A y B la velocidad del metal es la misma que la velocidad periférica del rodillo. La mayoría de la deformación toma lugar en el espesor aunque hay algún incremento en el ancho. La uniformidad de la temperatura es importante en todas las operaciones de laminado, puesto que controla el flujo del metal y la plasticidad.

La mayoría de los laminados primarios se hacen ya sea en un laminador reversible de dos rodillos o en un laminador de rolado continuo de tres rodillos. En el laminador reversible dedos rodillos, Fig. 3A, la pieza pasa a través de los rodillos, los cuales son detenidos y regresados en reversa una y otra vez. A intervalos frecuentes el metal se hace girar 90° sobre su costado para conservar la sección uniforme y refinar el metal completamente. Se requieren alrededor de 30 pasadas para reducir un lingote grande a una lupia. Los rodillos superior e inferior están provistos de ranuras para alojar las diferentes reducciones de la sección transversal de la superficie. El laminador de dos rodillos es bastante versátil, dado que posee un amplio rango de ajustes según el tamaño de piezas y relación de reducción. Está limitado por la longitud que puede laminarse y por las fuerzas de inercia, las cuales deben ser superadas cada vez que se hace una inversión. Esto se elimina en el laminador de tres rodillos, Fig. 3C, pero se requiere un mecanismo elevador. Aunque existe alguna dificultad debido a la carencia de velocidad correcta para todas las pasadas, el laminador de tres rodillos es menos costoso para hacerse y tiene un mayor rendimiento que el laminador reversible.

Los tochos podrían laminarse en un gran laminador del tamaño usado para lupias, pero esto no se acostumbra hacer por razones económicas. Frecuentemente se laminan lupias en un laminador continuo de tochos compuesto de alrededor de ocho estaciones de laminado en línea recta. El acero formado, por último pasa a través del laminador y sale con un tamaño final de tocho, aproximadamente de 50 por 50 mm, el cual es la materia prima para muchas formas finales tales como barras. tubos y piezas forjadas.

La Fig.4 ilustra el número de pasadas y la secuencia de reducción de la sección transversal de un tocho de 100 por 100 mm para convertirlo en una barra redonda.

Otras disposiciones de rodillos usadas en laminadores se muestran en la Fig.3. Aquellos que tienen cuatro o más rodillos usan a los demás como respaldo de los dos que realizan el laminado. Además, muchos laminadores especiales toman productos previamente laminados y fabrican con ellos artículos terminados como rieles, formas estructurales, placas y barras. Tales laminadores usualmente llevan el nombre del producto que se lamina y, aparentemente, son semejantes a los laminadores usados para lupias y tochos.

FORJA

Forja Abierta o de Herrero

Este tipo de forja consiste en martillar el metal caliente ya sea con herramientas manuales o entre dados planos en un martillo de vapor. La forja manual, como la hecha por el herrero, es la forma más antigua de forjado. La naturaleza del proceso es tal que no se obtienen tolerancias cerradas, ni pueden hacerse formas complicadas. El rango de forjado va desde unos cuantos kilogramos y sobrepasa los 90 Mg lo que puede hacerse por forja de herrero.

Los martillos de forja se hacen con bastidor del tipo sencillo o abierto para el claro de trabajo, mientras que el tipo de bastidor doble se hace para servicio pesado. Un martinete típico de vapor se muestra en la Fig.5. La fuerza del golpe es severamente controlada por el operador, y se requiere considerable habilidad para el uso de esta máquina.

Estampado

El estampado difiere de la forja con martillo en que se usa más bien una impresión cerrada que dados de cara abierta. La forja se produce por presión o impacto, lo cual obliga al metal caliente y flexible a llenar la forma de los dados como en la Fig.6. En esta operación existe un flujo drástico del metal en los dados causado por los golpes repetidos sobre el metal. Para asegurar el flujo propio del metal durante los golpes intermitentes, las operaciones se dividen en un número de pasos. Cada paso cambia la forma gradualmente, controlando el flujo del metal hasta que la forma final se obtiene. El número de pasos requeridos varia de acuerdo al tamaño y forma de la pieza, las cualidades de forja del metal y las tolerancias requeridas. Para productos de formas grandes y complicadas una operación de formado preliminar, usando más de un juego de dados, puede requerirse. Las temperaturas aproximadas de forjado son: acero 1100 a 1250 °C; cobre y sus aleaciones 750 a 925°C; magnesio 370 a 450°C.

La forja de acero en dados cerrados varia en tamaño desde unos cuantos gramos hasta 10 Mg

Los dos tipos principales de martillos de estampado son el martinete de vapor y el martinete de caída libre o martinete de tablón. En el primero el apisonador y el martillo son levantados por vapor, y la fuerza del golpe es controlada por estrangulamiento del vapor. Con estos martinetes, los cuales trabajan rápidamente, se obtienen sobre 300 golpes por minuto. El rango de capacidades de los martinetes de vapor va desde 2 hasta 200 kN. Son normalmente diseñados de doble bastidor, con un cilindro de vapor ensamblado en su parte superior que provee la potencia para actuar el apisonador. Para una masa dada del apisonador un martinete de vapor desarrollará el doble de la energía sobre el dado que la que podría obtenerse de un martinete de caída libre o de tablón.

En el martinete del tipo caída libre la presión de impacto es desarrollada por la fuerza de caída del apisonador y el dado cuando golpea sobre el dado que está fijo abajo. En la Fig.7 se muestra un martinete de caída libre con pistón elevador. Utiliza aire o vapor para levantar el apisonador. Este tipo de martinete permite la preselección de una serie de golpes de carrera corta o larga. El operador es liberado de la responsabilidad de la regulación de las alturas de la carrera y resultan unos terminados de forja muy uniformes. Los martinetes de este tipo pueden servir para apisonar masas de 225 kg y hasta masas de 4500 kg inclusive. El martinete de caída libre con tablón tiene algunos tablones de madera endurecida unidos al martillo con el propósito de elevarlo. Después de que el martillo ha caído, unos rodillos arrastran los tablones y levantan el martillo hasta 1.5 m. Cuando la carrera es alcanzada los rodillos se separan y los tablones son sostenidos por unos trinquetes hasta que son liberados por el operador. La fuerza del golpe es enteramente dependiente de la masa del martillo, el apisonador, y el dado superior, el cual pocas veces excede los 35 kN. El martinete de tablón no se levanta tan rápidamente como la unidad de aire o de vapor. Los martinetes de caída libre encuentran un uso extenso en la industria para artículos tales como herramientas manuales, tijeras, cubiertos, partes de herramientas y piezas de aviación.

El martinete de forja por impacto, que se muestra en la Fig. 12.8 tiene dos cilindros opuestos en un plano horizontal el cual acciona los impulsores y los dados uno hacia el otro. El material se posiciona en el plano de impacto en el cual los dados chocan. Su deformación absorbe la energía y no hay choque o vibración en la máquina. Con este proceso al material se le trabaja igualmente en ambos lados; existe menos tiempo de contacto entre el material y el dado; se requiere menos energía que con otros procesos de forja; y el trabajo es realizado mecánicamente.

La pieza forjada tendrá una ligera saliente de exceso de metal extendiéndose alrededor de la línea de partición. Se le elimina en una prensa independiente de recorte inmediatamente después de la operación de forjado. La pequeña forja puede recortarse en frío, aunque deben tenerse algunos cuidados en la operación de recorte para no deformar la pieza. La pieza a forjar usualmente es sostenida de manera uniforme por el dado en el apisonador y empujada a través de las aristas de corte. Operaciones de punzonado pueden hacerse también mientras el recorte se lleva a cabo.

La Fig. 9 muestra los dados para forja del cilindro exterior principal del tren de aterrizaje de un gran avión. Los dados pesan poco más de 28 Mg. Algunas operaciones de forja requieren un recalentamiento del metal base entre las estaciones de estampado.

En general, todas las piezas forjadas están cubiertas con escámas y deben limpiarse. Esto puede hacerse por inmersión en ácido, granallado, o con arena dependiendo del tamaño y composición de la pieza forjada. Si ocurre alguna deformación durante el forjado, una operación de enderezado o formado puede requerirse. Usualmente se procura un enfriamiento controlado para piezas grandes y si ciertas propiedades físicas se necesitan se toman providencias para tratamientos térmicos posteriores.

La ventajas de la operación de forjado incluyen una fina estructura cristalina del metal, la eliminación de cualquier vacío, un tiempo reducido de maquinado, e insuperables propiedades físicas. La forja es adaptable a aceros aleados y al carbono, hierro dulce, cobre, aleaciones ligeras, aleaciones de aluminio y aleaciones de magnesio. Sus desventajas abarcan las inclusiones de escamas y el alto costo de los dados que lo hacen prohibitivo para trabajos de pequeña serie. El alineamiento de los dados es algunas veces difícil de mantener y debe tenerse mucho cuidado en su diseño para asegurar que no ocurran grietas durante el forjado debido al plegado del metal durante la operación. Las estampas de forja tienen un gran número de ventajas sobre los dados abiertos de forja, incluyen una mejor utilización del material, mejores propiedades físicas, tolerancias más cerradas, ritmos altos de producción, y se requiere menos habilidad del operador.

Forjado en Prensa

Las prensas de forjado emplean una acción lenta de compresión deformando el metal plástico, contrariamente al rápido impacto del golpe del martillo. La acción de compresión es mantenida completamente hasta el centro de la pieza que está prensándose, trabajando a fondo la sección completa. Estas prensas son del tipo vertical y pueden ser operadas ya sea mecánica o hidráulicamente. Las prensas mecánicas, cuya operación es más rápida, pueden ejercer una fuerza de 4 a 90 MN.

La presión necesaria para formar el acero a temperatura de forja varía desde 20 hasta 190 MPa. Tales presiones están basadas en la superficie de la sección transversal de la pieza forjada cuando ésta se mide sobre la línea de partición del dado.

Para el forjado de pequeñas piezas, se usan estampas, y una sola carrera del apisonador es normalmente necesaria para realizar la operación de forja. La máxima presión es alcanzada en el extremo de la carrera cuando se fuerza al metal dentro de la forma. Los dados pueden montarse como unidades separadas, o todas las impresiones pueden ponerse en un solo bloque. Para pequeñas piezas forjadas son más convenientes unidades individuales de dados. Existen algunas diferencias para el diseño de dados para metales diferentes. La forja de aleaciones de cobre puede hacerse con menos ensayos que en acero; consecuentemente, pueden producirse formas más complicadas. Estas aleaciones fluyen bien en el dado y son extruidas rápidamente.

En el forjado en prensa una mayor proporción del trabajo total puesto en la máquina es trasmitida al metal que en una prensa de martillo de caída libre. Mucho del impacto del martillo de caída libre es absorbido por la máquina y su cimentación. La reducción del metal con prensa es más rápida, y el costo de operación consecuentemente es menor. La mayoría de las prensas de forjar son de formas simétricas con superficies que son totalmente lisas, y proporcionan unas tolerancias más cerradas que las obtenidas con un martillo de caída libre. Sin embargo, muchas piezas de formas irregulares y complicadas pueden forjarse más económicamente por forja abierta. Las prensas de forjado se usan frecuentemente para operaciones de calibrado sobre partes hechas por otros procesos.

Forjado Horizontal

El forjado horizontal implica la sujeción de una barra de sección uniforme en dados y se aplica una presión sobre el extremo caliente, provocando el que sea recalcado o formado según el dado, como se muestra en la Fig. 12.10. La longitud de la barra a ser recalcada no puede ser mayor de dos o tres veces el diámetro, pues si no el material se doblará en vez de expandirse para llenar la cavidad del dado.

Para algunos productos la operación principal puede completarse en una posición, aunque en la mayoría de los casos la pieza es progresivamente colocada en diferentes posiciones en el dado. Las impresiones pueden estar en el punzón, en el dado fijo o en ambos. En muchas ocasiones las piezas forjadas no requieren de una operación de recorte. Máquinas de este tipo son una consecuencia de pequeñas máquinas diseñadas para hacerles cabeza en frío a clavos y pequeños tornillos.

El penetrado progresivo, o desplazamiento interno, es el método frecuentemente empleado en máquinas de forjado horizontal para producir partes tales como cascos de artillería y cilindros forjados de máquinas radiales. La secuencia de operaciones para el forjado de un cilindro se muestra en la Fig.11. Barras cilíndricas de una longitud predeterminada para un cilindro, primero se calientan a temperatura de forja. Para facilitar la manipulación de la barra se prensa un porta barra dentro de un extremo. La barra es recalcada y progresivamente penetrada hasta dejar una copa de fondo grueso. En la última operación un punzón de extremo cónico expande y alarga el metal dentro del extremo del dado, liberando el portabarra y punzonando hacia afuera el extremo del pedazo de metal. Grandes cuerpos de cilindro con masas superiores a los 50 kg pueden forjarse de esta manera. El rango de partes producidas por este proceso va desde pequeños a grandes productos que pesan algunos cientos de kilogramos. Los dados no se limitan al recalcado, pueden usarse también para penetrado, punzonado, recorte o extrusión.

Con objeto de producir más formas masivas por este método, una máquina horizontal continua ha sido desarrollada. Esta máquina puede alimentar barra de acero calentada por inducción a la cavidad del dado, en donde rápidos golpes del dado horizontal o si no martillos exteriores y ajustables alcanzan a la pieza. Algunas de estas máquinas tienen un dado de forjado horizontal hueco de longitudes tan largas como formas de sección transversal constante pueden producirse.

Otra variación para forjado horizontal es la unión de metales. En vez de formar una abertura en la cabeza de la barra de acero, se hace una operación de forjado de una forma cónica, similar a la Fig. 12.10B. El dado con- forma el perfil cónico deseado y la operación de unión de metal concluye.

Forja por Laminado

Las máquinas para forja por laminado son primeramente adaptadas para operaciones de reducción y conificación sobre barras de acero de pequeña longitud. Los rodillos de estas máquinas mostrados en la Fig.12 no son completamente circulares sino que son cortados de un 25 a un 75% para permitir la entrada de la materia prima entre los rodillos. La porción circular de los rodillos se ranura de acuerdo a la forma que quiere darse. Cuando los rodillos están en posición abierta el operador coloca la barra caliente entre ellos, reteniéndola con tenazas. Como los rodillos giran, la barra es agarrada por las ranuras de los mismos y empujada hacia el operador. Cuando los rodillos se abren, la barra es empujada hacia atrás y laminada de nuevo, o se le coloca en la ranura contigua para la operación siguiente de laminado. Girando la barra 90° después de cada paso de laminado, no existe la oportunidad de formar rebabas.

En el rolado de ruedas, tiras metálicas y artículos similares se usa un tren de rolado de construcción un poco diferente. La Fig.13 muestra como una pieza en bruto forjada se convierte en una rueda, terminada por la acción de los diferentes rodillos dispuestos alrededor de ella. Como las ruedas giran, el diámetro es aumentado gradualmente mientras la placa y el rin se reducen en sección. Cuando se roía la rueda a su diámetro final, se le lleva entonces a una prensa y se le da una operación de formado y calibrado.

La forja por laminado se usa en una amplia variedad de piezas, incluyendo ejes, barras para propulsores de avión, palancas, hojas de cuchillos, cinceles, estrechado de tubos y extremos de muelles. Las piezas hechas de este modo tienen muy buen terminado de superficie y las tolerancias son iguales a otros procesos de forja. El metal es trabajado completamente en caliente y tiene buenas propiedades físicas.

EXTRUSION

Los metales que pueden trabajarse en caliente pueden extruirse con formas de sección transversal uniforme con ayuda de presión. El principio de extrusión, similar a la acción del chorro de la pasta de dientes de un tubo, ha sido muy usado para procesos en serie desde la producción de ladrillos, tubo de desagüe, tubo de drenaje, hasta la manufactura de macarrones. Algunos metales como el plomo, estaño y aluminio pueden extruirse en frío, mientras que otros requieren la aplicación de calor para hacerlos plásticos o semisólidos antes de la extrusión. En la operación actual de extrusión, los procesos difieren un poco, dependiendo del metal y aplicación, pero en resumen consisten en forzar al metal (confinado en una cámara de presión) a salir a través de dados especialmente formados. Varillas, tubos, guarniciones moldeadas, formas estructurales, cartuchos de bronce, y cables forrados con plomo son productos característicos de metales extruidos.

La mayoría de las prensas usadas en el extruido convencional de metales son de tipo horizontal y operadas hidráulicamente. Las velocidades de operación dependen sobre todo de la temperatura y material, varían de unos cuantos metros sobre minuto hasta 275 m/min.

Las ventajas de la extrusión incluyen la facilidad de producir una variedad de formas de alta resistencia, buena exactitud y terminado de superficie a altas velocidades de producción, y relativamente con un bajo costo de los dados. Más deformaciones o cambio de forma pueden conseguirse por este proceso que por cualquier otro, excepto fundición. Longitudes casi ilimitadas de sección transversal continua pueden producirse, y debido al bajo costo de los dados, series de producción de 150 m pueden justificar su uso. El proceso es alrededor de tres veces más lento que la forja por rolado, y la sección transversal debe permanecer constante. Existen muchas variantes de este proceso.

Extrusión Directa

La extrusión directa está ilustrada en el diagrama de la Fig.14. Un tocho cilíndrico caliente se coloca dentro de la cámara del dado, el falso bloque y el apisonador se colocan en posición. El metal es extruido a través del dado abriéndolo hasta que sólo queda una pequeña cantidad. Entonces es cortado cerca del dado y se elimina el extremo.

Extrusión Indirecta

La extrusión indirecta, Fig.14 es similar a la extrusión directa excepto que la parte extruida es forzada a través del vástago apisonador. Se requiere menos fuerza por este método, debido a que no existe fuerza de rozamiento entre el tocho y la pared continente. El debilitamiento del apisonador cuando es hueco y la imposibilidad de proveer soporte adecuado para la parte extruida constituyen las restricciones de este proceso.

Extrusión por Impacto

En la extrusión por impacto un punzón es dirigido al pedazo de metal con una fuerza tal que éste es levantado a su alrededor. La mayoría de las operaciones de extrusión por impacto, tales como la manufactura de tubos plegables, son trabajadas en frío. Sin embargo hay algunos metales y productos, particularmente aquellos en los cuales se requieren paredes delgadas, en los que los pedazos de metal son calentados a elevadas temperaturas. La extrusión por impacto es cubierta en el capitulo siguiente sobre trabajo en frío.

MANUFACTURA DE TUBERIA

Los accesorios tubulares y tubería pueden hacerse por soldadura eléctrica o a tope, plancha para formado de tubos, perforado y extrusión. Los métodos de perforado y extrusión se usan para tubería sin costura, la cual es usada en trabajos de alta presión y temperatura como también para transportar gas y líquidos químicos. Se ha manufacturado tubo de acero sin costura hasta de 400 mm de diámetro. Se usan también tubos extruidos para decantadores dado que el proceso puede adaptarse a configuraciones internas, tales como rayado y ranurado. Tubo soldado a tope es el más común y se usa con propósitos estructurales, postes y para transporte de gas, agua y desperdicios. El tubo con soldadura eléctrica se usa principalmente para líneas de tubería que transportan productos del petróleo o agua.

Soldadura a Tope

En el proceso de soldadura a tope se aplican ambos métodos, intermitente y continuo. Tiras calientes de acero, conocidas como plancha para tubos, las cuales tienen los bordes ligeramente biselados, son usadas de tal modo que se encontrarán exactamente cuando sean formados en un perfil circular. En el proceso intermitente, un extremo de la plancha para tubos es cortada en forma de Y para permitirle entrar a la campana de soldadura, como se muestra en la Fig.15A. Cuando a la plancha para tubos se le acerca hasta el calor de soldadura el extremo es agarrado por unas tenazas las cuales arrastran una cadena de tracción. Como el tubo es arrastrado a través de la campana de soldado, la plancha para tubo es formada con un perfil circular y los bordes se sueldan juntos. Una operación final pasa al tubo entre rodillos de terminado y calibrado para darle el tamaño correcto y quitarle la escama. El soldado continuo a tope del tubo es realizado abasteciendo la plancha para tubos en rollos y proveyendo los medios para soldar rápidamente los extremos del rollo para formar una tira continua. Como la plancha para tubos entra al horno, las flamas chocan sobre los bordes de la tira para llevarla a la temperatura de soldado. Saliendo del horno, la plancha para tubos entra a una serie de rodillos horizontales y verticales la cual lo convierte en un tubo. Una vista de los rodillos, que muestra cómo el tubo es formado y calibrado está en la Fig.15B. Cuando el tubo abandona los rodillos, es cortado en longitudes que finalmente son procesadas por desescamado y operaciones de terminado. El tubo hecho por este método tiene tamaños hasta de 75 mm de diámetro.

Soldadura Eléctrica a Tope

La soldadura eléctrica a tope de tubo necesita un formado en frío de la placa de acero para preparar la forma para la operación de soldadura. La forma circular es desarrollada pasando la placa a través de un tren continuo de rodillos que cambian su forma progresivamente. Este es el método conocido como formado por laminado. La unidad soldadora colocada en el extremo de la máquina formadora por laminado consta de tres rodillos de centrado y presión que mantienen al perfil formado en posición y dos rodillos electrodo que abastecen corriente al generar el calor. Inmediatamente después de que el tubo pasó por la unidad de soldadura, el metal extruido rápidamente es eliminado del interior y exterior del tubo. Rodillos de calibrado y terminado completan la operación dando al tubo un tamaño exacto y concentricidad. Este proceso es adaptado a la manufactura de tubo de hasta 400 mm de diámetro con espesores de pared que varían desde 3 a 15 mm. Tubos de gran diámetro son usualmente fabricados por soldadura de arco sumergido después de que fueron formados a lo largo en prensas especialmente construidas. Algunos tubos grandes se fabrican por soldadura a martillo, la cual es esencialmente un proceso de forja-soldadura.

Soldado por Recubrimiento

En el soldado por recubrimiento de tubo, las orillas de la plancha para tubos son biseladas como si salieran del horno. La plancha para tubo es entonces estirada a través de un dado de forjado, o entre rodillos, para darle forma cilíndrica con las orillas traslapadas. Después de recalentada, la plancha para tubo doblada se pasa entre dos rodillos ranurados como se muestra en la Fig.16. Entre los rodillos se fija un mandril que ajusta en el diámetro interior del tubo. Las orillas son soldadas por recubrimiento por la presión entre los rodillos y el mandril. El tubo soldado por recubrimiento se hace en tamaños de 50 a 400 mm de diámetro.

Perforado

Para producir tubo sin costura, se pasan tochos cilíndricos de acero entre dos rodillos de forma cónica operando en la misma dirección. Entre estos rodillos se fija un punto o mandril que ayuda en el perforado y controla el tamaño del agujero cuando el tocho es forzado sobre él.

La operación completa de la fabricación de tubería sin costura por este proceso convencional se muestra en la Fig.17. El tocho sólido primeramente es punzonado al centro y después llevado a calor de forja en un horno antes de ser perforado. Entonces es empujado entre dos rodillos de perforado los cuales le imparten rotación y avance axial. La compresión alterna y la expansión del tocho abren un centro, el tamaño y forma del cual son controlados por el madril de perforado. Como el espesor de pared del tubo resulta del tren de perforado, se pasa entre rodillos ranurados sobre un tapón sujeto por el mandril y es convertido en un tubo largo con un espesor de pared especificado. Mientras permanece a temperatura de trabajo, el tubo pasa a través de la máquina de carrete la cual además de enderezar y calibrar da a las paredes una lisura de superficie. El calibrado final y terminado son realizados de la misma manera que con el tubo soldado.

Este procedimiento se aplica a los tubos sin costura hasta de 150 mm de diámetro. A los tubos grandes hasta de 350 mm de diámetro se les da una segunda operación con los rodillos de perforado. Para producir tamaños hasta de 600 mm de diámetro, recalentados, se procesan tubos doblemente perforados en un tren de rolado rotatorio como se muestra en la Fig.18 y se terminan finalmente con rodillos de carrete y de calibrado como se describió en el proceso de perforado sencillo. Pueden requerirse calentamientos intermedios.

En el método continuo, mostrado en la Fig.19 una barra redonda de 140 mm es perforada y transportada al mandril laminador de nueve estaciones en donde se inserta una barra cilíndrica o mandril. Estos rodillos reducen el diámetro del tubo y el espesor de pared. Entonces es eliminado el mandril, y el tubo recalentado antes de entrar al laminador reductor- alargador de doce estaciones. Este tren no sólo reduce el espesor de pared del tubo caliente sino también el diámetro del mismo. Cada rodillo sucesivo es impulsado a producir una tensión suficiente para alargar el tubo entre estaciones. El máximo rendimiento de este tren es 390 m/min para tubo de alrededor de 50 mm de diámetro o más pequeño.

Extrusión de Tubo

El método usual para extruir tubos se muestra en la Fig. 20. Es una forma de extrusión directa, pero utiliza un mandril para formar el interior del tubo. Después de que el tocho se coloca dentro, el dado que contiene el mandril se empuja contra el lingote como se muestra en la figura. El vástago compresor avanza entonces y extruye el metal a través del dado y alrededor del mandril. La operación completa debe ser rápida y velocidades hasta de 180 m/min han sido usadas en la manufactura de tubos de acero. Pueden extruirse tubos de acero de bajo carbono a temperatura cercana a la ambiente, pero para la mayoría de las aleaciones el tocho debe calentarse alrededor de 1300°C.

EMBUTIDO

Para productos sin costura que no pueden hacerse con equipo convencional de rolado, se usa el proceso ilustrado en la Fíg.21. Se calienta una lupia a temperatura de forja y con un punzón de penetración operado con una prensa vertical, la lupia se forma por forja dentro de un extremo hueco cerrado. La pieza forjada es recalentada y colocada en el banco de estirado en caliente que consiste de algunos dados, que decrecen sucesivamente en diámetro, montados en un bastidor. El punzón operado hidráulicamente fuerza al cilindro caliente a través de la longitud completa del banco de estirado.

Para cilindros largos o tubos de pared delgada, pueden requerirse calentamientos y embutidos repetidos. Si el producto final es un tubo, el extremo cerrado es cortado y el resto es enviado a través de rodillos para terminado y calibrado, similares a los usados en el proceso de perforado. Para producir cilindros con un extremo cerrado similares a los usados para el almacenado de oxigeno, el extremo abierto es estampado en forma de cuello o reducido por rechazado en caliente.

RECHAZADO EN CALIENTE

El rechazado en caliente del metal se usa comercialmente para conformar o formar placas circulares gruesas de alguna forma sobre un cuerpo giratorio y estrangular o cerrar los extremos de tubos. En ambos casos una especie de torno se usa para hacer girar la pieza rápidamente. El formado se hace con una herramienta de presión roma o rodillo que entra en contacto con la superficie de la pieza en rotación y provoca el flujo del metal y que éste se conforme a un mandril de la forma deseada. Una vez que la operación se desarrolla, se genera un considerable calor por rozamiento el cual ayuda a mantener al metal en estado plástico. Los extremos del tubo pueden reducirse en diámetro, formado según un contorno deseado, o cerrarse completamente por la acción del rechazado.

FORJADO TIBIO

Un proceso, conocido como Termoforjado utiliza una temperatura intermedia que normalmente se usa para trabajo en frío y en caliente. No hay cambios metalúrgicos en el metal ni imperfecciones de superficie frecuentemente asociadas con el metal trabajado a temperaturas elevadas. La Fig.22 es una fotografía de la sección transversal de un tornillo cabeza Alíen grabado con ácido. Se observa una alta resistencia indicada por la estructura continua de las fibras. Dado que las líneas de flujo siguen el contorno de la pieza, se reducen las concentraciones de esfuerzos. La temperatura del metal y las presiones y velocidades de forjado deben controlarse cuidadosamente, puesto que el metal está abajo de la temperatura de recristalización.

METODOS ESPECIALES

A medida que se obtienen secciones más delgadas en piezas forjadas, pueden emplearse dados calientes. Si se usa el lubricante adecuado, la oxidación adicional de la superficie se reduce al mínimo, pueden obtenerse tolerancias más cerradas, la pieza permanece flexible por un periodo de tiempo mayor, y el ritmo de producción se incrementa. La vida del dado se disminuye, sin embargo, existe un costo asociado con el calentamiento del dado. A menos que se deseen secciones delgadas, el proceso es pocas veces justificado.

Altas relaciones de energía de formado están usualmente asociadas con las operaciones de trabajo en frío pero algunas prensas de alta velocidad son manejadas por varios mecanismos, cargas explosivas, o descargas de capacitores. La mayoría de las partes formadas de esta manera son terminadas de un golpe. De este modo la operación es rápida, pueden forjarse secciones delgadas antes de que el calor sea perdido. Debido a la carga de impacto y el rápido incremento de temperatura del dado asociado con este tipo de operación, la vida del mismo es relativamente corta. El proceso es útil en la forja a alta temperatura, difícil para formar aleaciones.

Debido a lo altamente especializado de los problemas encontrados en la producción masiva de partes, algunas prensas clásicas de forjado se adaptan con apisonadores auxiliares o punzones que se mueven dentro o a través de ellas. La Fig.23 muestra el uso de un punzón auxiliar que produce un agujero en la pieza forjada. Usualmente, punzones de esta clase son retrasados en su operación hasta que cualquiera de los dados ha casi completado su trabajo. Debido a la complejidad de tales operaciones, sólo la producción masiva de series puede considerarse con este proceso.

Los metales que son difíciles de forjar (por ejemplo, el titanio) pueden fundirse a presión en atmósfera de gas inerte. Este proceso, conocido como formado en atmósfera caliente, elimina la mayoría de la oxidación y la cáscara y tiende a prolongar la vida del dado. Para piezas forjadas muy grandes, el gas inerte se lanza sólo dentro del área de formado, pero en el caso de prensas pequeñas, éstas son encerradas totalmente por una cabina dentro de la cual el argón es admitido.

Pequeños perdigones de aluminio, tan pequeños como granos de arroz, pueden laminarse en hojas. La Fig.24 muestra cómo el aluminio fundido es vertido en un cilindro revolvedor perforado. Las diminutas bolitas se enfrían suficientemente para mantener su forma. Ellas son transportadas por aire a una cámara de precalentamiento, roladas en caliente en hojas, y enfriadas. Este proceso es adaptable a la producción de grandes volúmenes con un mínimo de gastos de equipo. Teóricamente, pueden formarse hojas de longitud ilimitada por este proceso.