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MAGNESIO INGENIERÍA MECÁNICA
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ÍNDICE 1. INTRODUCCI INTRODUCCIÓN…… ÓN……………… …………………… …………………… …………………… …………………… …………………… …………………… …………… … ……………………… 1 2. EST ESTADOS ADOS DEL DEL ARTE………………………………………………………………………………………………… …3 2.1. EL MAGNESIO Y SUS ALEACIONES 2.2. GENERALIDADES DEL MAGNESIO 3. ALEA ALEACI CION ONES ES DE DE MAGNESIO…………………………………………………………………………..…………… 6 3.1. 3.2. 3.3. 3.4. 3.5.
CLASIFICACIÓN DE LAS ALEACIONES DEL MAGNESIO ELEMENTOS ALEANTES PROCESOS DE FABRICACIÓN ALEACIONES CONFORMADAS POR DEFORMACIÓN PLÁSTICA ELECCIÓN DEL PROCESO MÁS ADECUADAS
4. CORROS CORROSIÓN IÓN DE LAS LAS ALEAC ALEACION IONES ES DE MAGNESIO……………………………………………………….16 5. USOS DEL MAGNESIO………………………………………………………………………………………… ………17 5.1. AUTOMOCIÓN 5.2. AEROESPACIAL AEROESPACIAL Y AERONÁUTICA 5.3. ELECTRÓNICA 5.4. MEDICINA 5. 5 OTROS USOS 6. MECANI MECANIAD ADO O DE LAS ALEA ALEACIO CIONES NES DE DE MAGNESIO……………………………………………….……25 6.1. SISTEMA DE REFRIGERACIÓN REFRIGERACIÓN Y LUBRICACIÓN LUBRICACIÓN 6.2. MEACNIADO EN SECO 7. SISTEMA SISTEMA DE LUBRICA LUBRICACIÓN CIÓN Y REFRIGER REFRIGERACIÓ ACIÓN N DEL MAGNESIO…………………………………..3! ". MECANIADO MECANIADO EN SECO SECO DE ALEACIONE ALEACIONES S DE MAGNESIO… MAGNESIO…………… …………………… …………….. ….. ………………..32 #. $ERR $ERRAM AMIE IENT NTAS AS DE DE CORTE……………………………………………………………………..………………….33
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#.1 DESGASTE DE LAS $ERRAMIENTAS #.2. MATERIAL BASE 1!.RECUBRIMIENTOS………………………………………………. …………………………………………………….37 11.INCIDENCIA DEL RECUBRIMIENTO EN EL MECANIADO EN SECO…………. …………………..4! 12.$ERRAMIENTAS PARA EL MAGNESIO……………………………………………………. …………………..42 13.APLICACIONES DE ALEACIONES DEL MAGNESIO SEG%N SUS PROPIEDADES……….………44 14.CONCLUSIONES………………………………………………………………………………… ……………….………4" 15.BIBLIOGRAFÍA………………………………………… 15.BIBLIOGRAFÍA……………… …………………………………………………… ………………………………………… ……………… …………….…………4#
1. INTRO NTRODU DUC CCIÓ CIÓN A lo largo de la historia, el desarrollo y la evolución de las sociedades han estado íntimamente ligados a la capacidad de producir y conformar los materiales necesarios para satisfacer sus necesidades. Con el transcurso del tiempo, el conocimiento acumulado y la necesidad de progresar permitieron al hombre producir materiales con propiedades superiores a los disponibles en la naturaleza, entre ellos los materiales metálicos. El cono conocim cimie ient nto o de la relac relació ión n entr entree los elem elemen entos tos estr estruc uctur tural ales es de los los mate materia riale less y sus sus propiedades, ha favorecido el desarrollo de procesos que permiten modificar o adaptar dichas propiedades. En el caso de los metales, el descubrimiento de que la fusión y mezcla de metales cambiaba sus propiedades, ha puesto en valor la relevancia comercial y estratgica de estos. En las !ltimas dcadas, sectores que traba"an con componentes estructurales están orientando sus esfuerzos a la reducción del consumo de energía, reemplazando materiales tradicionales como el acero y la fundición, por termoplásticos y metales más ligeros. El uso de aleaciones ligeras, principalmente de aluminio, de titanio y de magnesio, está muy e#tendido en industrias como la aeronáutica y la de automoción debido a la e#celente relación peso$resistencia mecánica que presentan. Estas aleaciones pueden ser combinadas tanto entre sí como con otros materiales poco pesados y resistentes para formar estructuras híbridas, que tienen la venta"a de ba"o peso combinado con una alta resistencia y buenas características de desgaste y fatiga fatiga.. En el caso caso del magnesi magnesio, o, estas estas estruc estructur turas as híbrid híbridas as suelen suelen ser estruc estructur turas as magnes magnesio% io% aluminio, magnesio%titanio o magnesio%acero. &entro de los metales estructurales, el uso del magnesio es recomendable para aplicaciones donde la densidad es un factor importante importante y, además, se precisen unas adecuadas características mecánicas. 'u densidad ()*+ -g$m/ es prácticamente 0$ de la del aluminio y )$+ de la del acero. Es por ello que su uso ha ido ganando peso en industrias tales como la aeroespacial, donde se utiliza en diferentes estructuras de aeronaves y en componentes, por e"emplo, de satlites, misiles y cohetes espaciales1 y la de automoción, donde su uso incluye diferentes aplicaciones, tales como bastidores de asientos, paneles de la carrocería o piezas para el motor. En ambas
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#.1 DESGASTE DE LAS $ERRAMIENTAS #.2. MATERIAL BASE 1!.RECUBRIMIENTOS………………………………………………. …………………………………………………….37 11.INCIDENCIA DEL RECUBRIMIENTO EN EL MECANIADO EN SECO…………. …………………..4! 12.$ERRAMIENTAS PARA EL MAGNESIO……………………………………………………. …………………..42 13.APLICACIONES DE ALEACIONES DEL MAGNESIO SEG%N SUS PROPIEDADES……….………44 14.CONCLUSIONES………………………………………………………………………………… ……………….………4" 15.BIBLIOGRAFÍA………………………………………… 15.BIBLIOGRAFÍA……………… …………………………………………………… ………………………………………… ……………… …………….…………4#
1. INTRO NTRODU DUC CCIÓ CIÓN A lo largo de la historia, el desarrollo y la evolución de las sociedades han estado íntimamente ligados a la capacidad de producir y conformar los materiales necesarios para satisfacer sus necesidades. Con el transcurso del tiempo, el conocimiento acumulado y la necesidad de progresar permitieron al hombre producir materiales con propiedades superiores a los disponibles en la naturaleza, entre ellos los materiales metálicos. El cono conocim cimie ient nto o de la relac relació ión n entr entree los elem elemen entos tos estr estruc uctur tural ales es de los los mate materia riale less y sus sus propiedades, ha favorecido el desarrollo de procesos que permiten modificar o adaptar dichas propiedades. En el caso de los metales, el descubrimiento de que la fusión y mezcla de metales cambiaba sus propiedades, ha puesto en valor la relevancia comercial y estratgica de estos. En las !ltimas dcadas, sectores que traba"an con componentes estructurales están orientando sus esfuerzos a la reducción del consumo de energía, reemplazando materiales tradicionales como el acero y la fundición, por termoplásticos y metales más ligeros. El uso de aleaciones ligeras, principalmente de aluminio, de titanio y de magnesio, está muy e#tendido en industrias como la aeronáutica y la de automoción debido a la e#celente relación peso$resistencia mecánica que presentan. Estas aleaciones pueden ser combinadas tanto entre sí como con otros materiales poco pesados y resistentes para formar estructuras híbridas, que tienen la venta"a de ba"o peso combinado con una alta resistencia y buenas características de desgaste y fatiga fatiga.. En el caso caso del magnesi magnesio, o, estas estas estruc estructur turas as híbrid híbridas as suelen suelen ser estruc estructur turas as magnes magnesio% io% aluminio, magnesio%titanio o magnesio%acero. &entro de los metales estructurales, el uso del magnesio es recomendable para aplicaciones donde la densidad es un factor importante importante y, además, se precisen unas adecuadas características mecánicas. 'u densidad ()*+ -g$m/ es prácticamente 0$ de la del aluminio y )$+ de la del acero. Es por ello que su uso ha ido ganando peso en industrias tales como la aeroespacial, donde se utiliza en diferentes estructuras de aeronaves y en componentes, por e"emplo, de satlites, misiles y cohetes espaciales1 y la de automoción, donde su uso incluye diferentes aplicaciones, tales como bastidores de asientos, paneles de la carrocería o piezas para el motor. En ambas
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industrias, el consumo de energía es una prioridad, en trminos de s ostenibilidad, por razones tanto económicas como medioambientales. 2tro aspecto que promueve el uso de las aleaciones de magnesio, tambin por su impacto positivo sobre el medio ambiente, es el reducido coste que implica su recicla"e. 3ara su recicla"e sólo se precisa un 45 de la energía necesaria para obtener el producto. Además, los productos obtenidos presentan las mismas características químicas, físicas y mecánicas que el material original. Esta circunstancia está fomentando una fuerte e#pansión de la industria de recicla"e del magnesio. 6as piezas de magnesio utilizadas con función estructural presentan, por lo general, geometrías cada vez más comple"as, con altos requerimientos dimensionales y de rugosidad superficial, que encarecen los costes de fabricación. Es por ello que se hace necesario llevar a cabo operaciones de reparación y mantenimiento cuando estas piezas han sufrido cualquier da7o. 3ara optimizar dichas operaciones es preciso determinar las me"ores combinaciones de las condiciones de corte y de las herramientas que permitan minimizar tiempos y costes. En lo referente a su maquinabilidad, en trminos generales, las aleaciones de magnesio tienen un buen rendimiento en el mecanizado. 'in embargo, este material tiene problemas con el calor genera generado do durante durante el proces proceso o de mecaniz mecanizado ado,, ya que tiene tenden tendencia cia a la ignició ignición, n, siendo siendo su temper temperatu atura ra de autoign autoignici ición ón de +8C +8C (más ba"a que su temper temperatu atura ra de fusión fusión de 948C/ 948C/.. Además, el uso de refrigerantes que contienen agua es peligroso porque el magnesio, al producirse la ignición de las virutas o el polvo de magnesio generado durante el mecanizado, en presencia de agua agua se descom descompon ponee para para formar formar atmósfe atmósferas ras de hidróg hidrógeno eno altame altamente nte e#plos e#plosiva ivas. s. En estas estas circunstanc circunstancias, ias, asegurar un enfriamien enfriamiento to adecuado adecuado para el mecanizado mecanizado de estas aleaciones aleaciones no es fácil. Además, en los !ltimos a7os, el uso de lubricantes o refrigerantes se considera un factor indese indeseabl ablee debido debido a los costes costes económ económico icoss y ambien ambiental tales es que su empleo empleo conlle conlleva. va. 3or estas estas razones, se hace necesario investigar qu herramientas y qu condiciones de corte favorecen la evacuación del calor generado en el mecanizado de magnesio cuando dicho mecanizado se lleva a cabo en seco. :asta la fecha, el escaso n!mero de traba"os que abordan el estudio del proceso de torneado en seco de aleaciones de magnesio, se centran en operaciones de cilindrado, no encontrándose en la bibliografía apenas referencias de estudios realizados sobre las operaciones de refrentado. 6a presente monografía tiene como ob"etivo !ltimo realizar un estudio e#perimental que permita llevar llevar a cabo la me"or me"or selecci selección ón de herrami herramient entas as y condicion condiciones es de corte corte para para obtener obtener una determinada rugosidad superficial en piezas de magnesio obtenidas mediante refrentado en seco a ba"a velocidad1 entendiendo por ba"a velocidad las condiciones de corte en las que se emplean ba"as profundidades de corte y ba"as velocidad velocidad de corte y de avance, tales como las que se emplean en las operaciones de reparación y mantenimiento. 3ara lograrlo, es necesario ir alcanzando una serie de ob"etivos parciales o intermedios que se plantean con el fin de establecer un estado del arte sobre el tema abordado, y tambin con la intención de definir una metodología de traba"o que permita llevar a cabo la e#perimentación y el análisis de resultados. 3ara establecer el estado del arte, se pretende conocer; las características del magnesio y sus aleaciones1 los fundamentos del mecanizado del magnesio y sus aleaciones1 las particularidades de los procesos de mecanizado en seco y, en concreto, de las operaciones de refrentado1 los distintos enfoqu enfoques es emplead empleados os con más frecue frecuenci nciaa para para aborda abordarr la optimi optimizac zación ión de los proceso procesoss de
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mecaniz mecanizado ado11 y las tcnic tcnicas as de optim optimiza ización ción específic específicas as adopta adoptadas das con el fin de predec predecir ir la rugosidad superficial. 3or otra parte, parte, dentro dentro de los ob"etivos ob"etivos parciales, parciales, se pretende tambin definir una metodologí metodologíaa de ensayo ensayo y análisi análisiss de result resultado adoss que permit permitaa profun profundiza dizarr en el compor comportam tamien iento to de difere diferente ntess aleaci aleacione oness de magnes magnesio io ante ante el refren refrentad tado o en seco seco en determ determinad inadas as condic condicion iones es de corte, corte, y empleando diferentes herramientas1 así como mostrar un e"emplo concreto de aplicación y análisis.
2. EST ESTADO DEL DEL ART ARTE E 2.1. EL MAGNESIO MAGNESIO Y SUS ALEACIONES ALEACIONES 2.1.1. 2.1.1. GENERA GENERALID LIDAD ADES ES DEL MAGNE MAGNESI SIO O El magnesio es un elemento metálico de color blanco plateado de la serie alcalinotrrea. 2cupa el octavo lugar en cuanto a abundancia en la corteza terrestre, estando presente en varios minerales como la magnesita, dolomita y carnalita (
Tabla Tabla 2.1. Minerales que cn!ienen "a#nesi N&'()* +*, '-*)/,
F0)',/
C&*-+& +* '/*-& *
B)-/
M9O$;2
41.7
M/*-/
MCO3
2"."
S*)8*-/
3MO<2S-O 2<
26.3
D&,&'-/
MCO3
13.2
C/)/,-/
=C,
"."
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'e obtiene principalmente por electrolisis de Cl0=g. Este proceso es el más empleado para la obtención del magnesio, representando un >5 de la obtención mundial. El Cl0=g se coloca en una cuba que hace de cátodo y en la que se introduce una barra de carbón que act!a como ánodo1 el magnesio liberado en estado de fusión, como es menos denso que el cloruro, queda flotando sobre ste. 5 de la producción total de este metal.
Tabla 2.2. $r%ucci&n 'ri"aria %e "a#nesi en "iles %e !nela%as.
PAÍS
20
20
20
20
20
20
20
20
20
20
20
USA
43
43
43
6
11
6
6
1"
1
16
16
16
16
16
CANADA
5!
55
54
5!
16
!
!
!
!
!
!
CHINA
35
45
47
53
62
65
66
6#
"!
ISRAEL
3!
33
2"
25
25
3
2#
25
3!
27
2"
KAZAJSTAN
14
14
2!
21
21
2
21
21
21
21
21
!
!
!
!
!
!
!
!
2
5
5
RUSIA
45
45
45
5!
37
3
37
37
37
2#
3!
COREA
!
!
!
!
!
!
!
!
!
3
#
UCRANIA
!
!
2
2
2
3
3
2
2
2
2
SERBIA
2
4
2
2
2
2
2
2
2
2
2
54
65
67
6#
74
67
6!
75
77
"!
#1
16.
2!.
2.3
3.!
".4
<
<
24.
1.#
<
11>
BRASIL
MALASIA
2
TOTAL VARIACI N
55
5!
El magnesio cristaliza en el sistema he#agonal compacto (:C/, lo que le confiere anisotropía para sus propiedades mecánicas. Esta estructura dificulta la deformación a temperatura ambiente, pues sólo están disponibles tres sistemas de deslizamiento y no son cruzados. Es por ello que es poco d!ctil a temperatura ambiente, por lo que debe ser moldeado en caliente donde es muy reactivo con el o#ígeno. 'u configuración electrónica es; )s0, 0s0, 0p9, s0. 3resenta la tendencia a perder
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los dos electrones del !ltimo nivel, lo que facilita que forme soluciones sólidas con gran cantidad de elementos. Como material estructural se encuentra aleado y tratado trmicamente. 'in duda la propiedad mecánica que hace más interesante al magnesio es su ba"a densidad ()*+ -g$m/, inferior a la de otros materiales estructurales. 'u densidad es 0$ de la del aluminio y )$+ de la del acero. En la siguiente tabla se muestran las propiedades del magnesio en comparación con otros materiales estructurales de uso com!n.
El magnesio presenta numerosas venta"as, entre las que destacan; densidad más ba"a entre los materiales estructurales1 ba"o módulo de elasticidad, que lo hace un material rígido con gran capacidad de amortiguamiento de vibraciones1 elevada resistencia específica1 elevada resistencia a la abolladura1 buena maquinabilidad a altas velocidades1 alta conductividad elctrica y trmica, que lo convierten en un e#celente disipador de calor1 elevada fluidez, que le confiere una gran estabilidad dimensional1 y una e#celente capacidad de ser reciclado. El magnesio tambin presenta una serie de inconvenientes, entre los que destacan; ba"a resistencia mecánica1 pobre resistencia a fluencia para temperaturas superiores a )8C1 ba"o módulo de elasticidad1 alta reactividad química1 reducida ductilidad y ba"a resistencia a la corrosión. 3or otra parte, el hecho de presentar un punto de ignición (+8C/ por deba"o de su punto de fusión (948C/ hace que pueda inflamarse fácilmente, en particular, durante los procesos de mecanizado.
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líquido se o#ida rápidamente. Esto supone en muchos casos la necesidad de traba"ar en atmósferas no o#idantes. 3or !ltimo, su coste económico respecto a otros metales de funcionalidad parecida, como el aluminio, son superiores (Coca, )??0/.
(. ALEACIONES DE MAGNESIO (.1. CLASI)ICACIÓN DE LAS ALEACIONES DE MAGNESIO A pesar de los esfuerzos que se han realizado por armonizar las designaciones de los materiales, tanto en Europa, mediante la norma europea @E%E )*4+ (@E%E )*4+;)??>, )??>/, como internacionalmente, mediante la norma B'2 (B'2 )900;04, 04/(B'2 )900;04$Amd );0*, 0*/, se siguen utilizando normas definidas por organismos de países como Alemania (&B/, Estados @nidos (AA, AB'B, A'=E, A'<=, o 'AE/, rancia (A2D/, Deino @nido ('B/ o Fapón (FB'/. 3ara el caso de las aleaciones de magnesio, los dos sistemas de designación más ampliamente aceptados son el sistema A'<= (del ingls American 'ociety for
Tabla (.1. Le!ras e"'lea%as en la %esi#naci&n %e ls acers se#*n UNS A,'--& /,*/-&* Clase de aleación (Letra)
'eg!n el sistema @', las aleaciones se designan con una letra, que indica la clase de aleación, y cinco dígitos, que definen las aleaciones específicas dentro de cada clase. 6a
Tabla (.2. $rinci'ales ele"en!s 'resen!es en las aleacines %e "a#nesi se#*n UNS. Principales elementos de la aleación
M> T> > )
A,> C+> M M10%%%& M11%%%! L-> A,> M M14%%
> )> A M12%%% M M15%%
> )> T M16%%%!
)> M M18%%
A,> B*> C
Tabla (.(. Desi#naci&n %e ls ele"en!s 'resen!es en las aleacines se#*n ASTM +ASTM ,2-/ 200.
E,*'* & L'()*! N* ,
A,'-&
A-'&&
A)?-& V!
B*)-,-& L!
B-' &
C)&' &
E/& T!
F0J&)& J!
$-*))& "!
I)-& $!
P,/ /
P,&'& -!
S-,--& S!
T-*))/ )/)/
T&)-& H!
C/+'&
C&()* C!
M/*&
M//* &
- Z!
-)&-& K!
En el caso de que la aleación haya sido modificada en los el ementos aleantes de menor proporción, despus de las letras y los n!meros, se incluye otra letra asignada en el orden en que las aleaciones se han ido normalizando (A, , C, etc./. 6a presencia de la letra G indica que se trata de una aleación e#perimental. inalmente, en algunas aleaciones se puede a7adir un !ltimo trmino que indica el tipo de traba"o o tratamiento trmico aplicado a la aleación.
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Así, por e"emplo, la aleación AH9%<+, sería una aleación de magnesio con valores de aluminio y zinc pró#imos al 95 y 5 respectivamente, a la que se le ha aplicado un tratamiento trmico de solución.
Tabla (.. Desi#naci&n %e al#uns !ra!a"ien!s !3r"ics e"'lea%s en aleacines %e "a#nesi +ASM/ 1441.