Laminado (metalurgia)

El laminado en caliente es un proceso de metalurgia que se lleva a cabo por encima de la temperatura de recristalización del material. Tras la deformación de los granos durante el procesamiento, estos se recristalizan, lo que mantiene una microestructura equiaxial y evita el endurecimiento por deformación del metal . El material de partida suele ser piezas grandes de metal, como productos de fundición semiacabados , tales como lingotes , planchas , palanquillas y tochos .

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  Lingote extraído del pozo de remojo
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  Una pila de losas frías
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  Flores de acero en un vagón de ferrocarril
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  Tranvías en vagón de tren

Si estos productos provienen de una operación de colada continua , generalmente se introducen directamente en los laminadores a la temperatura adecuada. En operaciones más pequeñas, el material comienza a temperatura ambiente y debe calentarse. Esto se realiza en un horno de remojo a gas o petróleo para piezas grandes; para piezas más pequeñas, se utiliza calentamiento por inducción . A medida que se trabaja el material, se debe controlar la temperatura para asegurar que se mantenga por encima de la temperatura de recristalización.

Para mantener un margen de seguridad , se define una temperatura de acabado superior a la temperatura de recristalización; esta suele estar entre 50 y 100 °C (122 y 212 °F) por encima de la temperatura de recristalización. Si la temperatura desciende por debajo de este valor, el material debe recalentarse antes de continuar con el laminado en caliente. ^{[ 13 ]}  

Los metales laminados en caliente generalmente tienen poca direccionalidad en sus propiedades mecánicas o tensiones residuales inducidas por deformación . Sin embargo, en ciertos casos, las inclusiones no metálicas les confieren cierta direccionalidad, y las piezas de trabajo de menos de 20 mm (0,79 pulg.) de espesor suelen tener algunas propiedades direccionales. El enfriamiento no uniforme induce muchas tensiones residuales, lo que suele ocurrir en formas con una sección transversal no uniforme, como las vigas en I. Si bien el producto terminado es de buena calidad, la superficie está cubierta de cascarilla de laminación , que es un óxido que se forma a altas temperaturas. Generalmente se elimina mediante decapado o el proceso de superficie lisa y limpia (SCS) , que revela una superficie lisa. ^{[ 14 ]} Las tolerancias dimensionales suelen ser del 2 al 5 % de la dimensión total. ^{[ 15 ]}  

El acero dulce laminado en caliente parece tener una tolerancia mayor en cuanto al nivel de carbono que contiene que el acero laminado en frío, por lo que resulta más difícil de trabajar para un herrero.

El laminado en caliente se utiliza principalmente para producir chapa metálica o secciones transversales simples, como por ejemplo, vías férreas .

El laminado en frío se realiza con el metal por debajo de su temperatura de recristalización (generalmente a temperatura ambiente), lo que aumenta la resistencia por endurecimiento por deformación hasta un 20 %. También mejora el acabado superficial y mantiene tolerancias más estrictas . Los productos comúnmente laminados en frío incluyen láminas, tiras, barras y varillas; estos productos suelen ser más pequeños que los mismos productos laminados en caliente. Debido al menor tamaño de las piezas y su mayor resistencia, en comparación con el material laminado en caliente, se utilizan laminadores de cuatro rodillos o de racimo. ^{[ 3 ]} El laminado en frío no puede reducir el espesor de una pieza tanto como el laminado en caliente en una sola pasada.

Las láminas y tiras laminadas en frío se presentan en diversas condiciones: totalmente duras , semiduras , un cuarto duras y laminadas superficialmente . La laminación totalmente dura reduce el espesor en un 50%, mientras que las demás implican una reducción menor. El acero laminado en frío se recoce para inducir ductilidad, lo que se conoce simplemente como laminado en frío y recocido cercano . La laminación superficial, también conocida como pasada superficial , implica la menor cantidad de reducción: 0,5-1%. Se utiliza para producir una superficie lisa, un espesor uniforme y reducir el fenómeno del punto de fluencia (al evitar la formación de bandas de Lüders en el procesamiento posterior). Bloquea las dislocaciones en la superficie y, por lo tanto, reduce la posibilidad de formación de bandas de Lüders. Para evitar la formación de bandas de Lüders es necesario crear una densidad sustancial de dislocaciones no ancladas en la matriz de ferrita. También se utiliza para romper las lentejuelas en el acero galvanizado . El material laminado en frío se suele utilizar en procesos posteriores de trabajo en frío donde se requiere una buena ductilidad.

Se pueden laminar en frío otras formas si la sección transversal es relativamente uniforme y la dimensión transversal es relativamente pequeña. El laminado en frío de formas requiere una serie de operaciones de conformado, generalmente en las que se incluyen el dimensionamiento, el desbaste, el desbaste parcial, el semidesbaste, el semiacabado y el acabado.

Si es procesado por un herrero, la mayor suavidad, uniformidad y menor cantidad de carbono encapsulado en el acero facilitan su procesamiento, pero a costa de ser más caro. ^{[ 21 ]}

El doblado por rodillos produce un producto de forma cilíndrica a partir de chapas o metales de acero. ^{[ 22 ]}

El conformado por rodillos, el doblado por rodillos o el laminado de chapas es una operación de doblado continuo en la que una tira larga de metal (normalmente acero en bobina) pasa a través de conjuntos consecutivos de rodillos o soportes, cada uno realizando solo una parte incremental del doblado, hasta obtener el perfil de sección transversal deseado. El conformado por rodillos es ideal para producir piezas de gran longitud o en grandes cantidades. Existen tres procesos principales: de 4 rodillos, de 3 rodillos y de 2 rodillos, cada uno con diferentes ventajas según las especificaciones de la chapa de salida.

El laminado plano es la forma más básica de laminado, donde el material inicial y final tienen una sección transversal rectangular. El material se introduce entre dos rodillos , llamados rodillos de trabajo , que giran en direcciones opuestas. El espacio entre los dos rodillos es menor que el espesor del material inicial, lo que provoca su deformación . La disminución del espesor del material hace que este se alargue. La fricción en la interfaz entre el material y los rodillos hace que el material sea empujado a través de ellos. La cantidad de deformación posible en una sola pasada está limitada por la fricción entre los rodillos; si el cambio de espesor es demasiado grande, los rodillos simplemente se deslizan sobre el material y no lo arrastran. ^{[ 2 ]} El producto final es una lámina o una placa, siendo la primera de menos de 6 mm (0,24 pulg.) de espesor y la segunda mayor; sin embargo, las placas gruesas tienden a formarse utilizando una prensa , lo que se denomina forjado , en lugar de laminado.  

A menudo, los rodillos se calientan para facilitar el trabajo del metal. La lubricación se utiliza frecuentemente para evitar que la pieza se adhiera a los rodillos. Para optimizar el proceso, se ajustan la velocidad y la temperatura de los rodillos. ^{[ 23 ]}

Para láminas metálicas delgadas con un espesor inferior a 200 μm (0,0079 pulg.) , el laminado se realiza en un tren de laminación en racimo porque el pequeño espesor requiere rodillos de pequeño diámetro. ^{[ 13 ]} Para reducir la necesidad de rodillos pequeños , se utiliza el laminado en paquete , que lamina varias láminas juntas para aumentar el espesor inicial efectivo. A medida que las láminas de aluminio pasan por los rodillos, se recortan y se cortan con cuchillas circulares o de tipo navaja . El recorte se refiere a los bordes de la lámina, mientras que el corte implica dividirla en varias láminas. ^{[ 23 ]} El papel de aluminio es el producto más comúnmente producido mediante el laminado en paquete. Esto es evidente por los dos acabados superficiales diferentes; el lado brillante está en el lado del rodillo y el lado mate está contra la otra lámina de aluminio. ^{[ 24 ]}  

El laminado de anillos es un tipo especializado de laminado en caliente que aumenta el diámetro de un anillo. El material de partida es un anillo de paredes gruesas. Esta pieza se coloca entre dos rodillos: un rodillo interno de apoyo y un rodillo de empuje , que presiona el anillo desde el exterior. A medida que se produce el laminado, el espesor de la pared disminuye mientras que el diámetro aumenta. Los rodillos pueden tener diversas formas de sección transversal. La estructura granular resultante es circunferencial, lo que proporciona mejores propiedades mecánicas. Los diámetros pueden alcanzar los 8 m (26 pies) y las alturas de la cara los 2 m (79 pulgadas) . Entre las aplicaciones comunes se incluyen neumáticos de ferrocarril, cojinetes , engranajes , cohetes , turbinas , aviones , tuberías y recipientes a presión . ^{[ 14 ]}    

El laminado controlado es un tipo de procesamiento termomecánico que integra la deformación controlada y el tratamiento térmico . El calor que eleva la temperatura de la pieza por encima de la temperatura de recristalización también se utiliza para realizar los tratamientos térmicos, de modo que no es necesario ningún tratamiento térmico posterior. Los tipos de tratamientos térmicos incluyen la producción de una estructura de grano fino; el control de la naturaleza, el tamaño y la distribución de diversos productos de transformación (como ferrita , austenita , perlita , bainita y martensita en el acero); la inducción del endurecimiento por precipitación ; y el control de la tenacidad . Para lograr esto, todo el proceso debe ser monitoreado y controlado rigurosamente. Las variables comunes en el laminado controlado incluyen la composición y estructura del material de partida, los niveles de deformación, las temperaturas en las distintas etapas y las condiciones de enfriamiento. Los beneficios del laminado controlado incluyen mejores propiedades mecánicas y ahorro de energía. ^{[ 15 ]}

El laminado por forja es un proceso de laminado longitudinal que reduce la sección transversal de barras o palanquillas calentadas al hacerlas pasar entre dos segmentos de rodillos que giran en sentido contrario. Este proceso se utiliza principalmente para optimizar la distribución del material en los procesos posteriores de forjado en matriz. Gracias a ello, se puede lograr un mejor aprovechamiento del material, menores fuerzas de proceso y una mejor calidad superficial de las piezas en los procesos de forjado en matriz. ^{[ 25 ]}

Básicamente, cualquier metal forjable también puede ser laminado por forja. El laminado por forja se utiliza principalmente para preformar lingotes de gran tamaño mediante una distribución de masa específica para piezas como cigüeñales, bielas, manguetas de dirección y ejes de vehículos. Las máquinas de laminado por forja pueden procesar piezas relativamente grandes, con sistemas de rodillos capaces de procesar piezas en bruto de hasta aproximadamente 127 mm de espesor y más de un metro de longitud. ^{[ 26 ]} Las tolerancias de fabricación más estrictas solo se pueden lograr parcialmente mediante el laminado por forja. Esta es la razón principal por la que el laminado por forja rara vez se utiliza para el acabado, sino principalmente para el preformado. ^{[ 27 ]}

Características del laminado por forja: ^{[ 28 ]}

• alta productividad y alta utilización de materiales
• Buena calidad superficial de las piezas laminadas por forja.
• vida útil prolongada de la herramienta
• herramientas pequeñas y bajos costos de herramientas
• Mejora de las propiedades mecánicas gracias a la optimización del flujo de grano, en comparación con las piezas forjadas exclusivamente en matriz.

Los laminadores se diseñan en diferentes configuraciones, siendo la más básica la de dos rodillos no reversibles , lo que significa que hay dos rodillos que giran en una sola dirección. El laminador reversible de dos rodillos tiene rodillos que pueden girar en ambas direcciones, pero la desventaja es que los rodillos deben detenerse, invertirse y luego volver a alcanzar la velocidad de laminación entre cada pasada. Para solucionar esto, se inventó el laminador de tres rodillos , que utiliza tres rodillos que giran en una dirección; el metal se alimenta a través de dos de los rodillos y luego se devuelve a través del otro par. La desventaja de este sistema es que la pieza de trabajo debe elevarse y descenderse mediante un elevador. Todos estos laminadores se utilizan generalmente para la laminación primaria y los diámetros de los rodillos oscilan entre 60 y 140 cm (24 y 55 pulgadas) . ^{[ 13 ]}  

Para minimizar el diámetro del rodillo, se utiliza un laminador de cuatro rodillos o un laminador en racimo. Un diámetro de rodillo pequeño es ventajoso porque hay menos contacto del rodillo con el material, lo que resulta en una menor fuerza y ​​potencia requeridas. El problema con un rodillo pequeño es la reducción de la rigidez, que se supera utilizando rodillos de apoyo . Estos rodillos de apoyo son más grandes y entran en contacto con la parte posterior de los rodillos más pequeños. Un laminador de cuatro rodillos tiene cuatro rodillos, dos pequeños y dos grandes. Un laminador en racimo tiene más de cuatro rodillos, generalmente en tres niveles. Este tipo de laminadores se utilizan comúnmente para laminar en caliente chapas anchas, la mayoría de las aplicaciones de laminación en frío y para laminar láminas. ^{[ 13 ]}

Históricamente, los molinos se clasificaban según el producto que producían: ^{[ 30 ]}

• Las laminadoras de desbaste , desmoldeo y planchado son las laminadoras preparatorias para laminar rieles , perfiles o planchas terminadas, respectivamente. Si son reversibles, tienen  un diámetro de 34 a 48 pulgadas, y si son de tres rodillos, de 28 a 42  pulgadas de diámetro.
• Trenes de laminación de palanquillas , de tres rodillos,  con diámetros de 24 a 32 pulgadas, utilizados para la reducción adicional de las palanquillas hasta obtener palanquillas de 1,5 x 1,5 pulgadas, siendo los trenes de laminación preparatorios para la barra y la varilla.
• Laminadores de vigas de tres rodillos,  con diámetros de 28 a 36 pulgadas, para la producción de vigas y perfiles pesados ​​de 12  pulgadas o más.
• Molinos ferroviarios con rodillos de 26 a 40  pulgadas de diámetro.
• Moldeadores con rodillos de 20 a 26  pulgadas de diámetro, para vigas y perfiles de menor tamaño y otras formas estructurales.
• Laminadores comerciales con rodillos de 16 a 20  pulgadas de diámetro.
• Pequeñas laminadoras comerciales con rodillos de acabado de 8 a 16  pulgadas de diámetro, generalmente dispuestas junto con un soporte de desbaste de mayor tamaño.
• Laminadoras de varillas y alambre con rodillos de acabado de 8 a 12  pulgadas de diámetro, siempre dispuestas con soportes de desbaste de mayor tamaño.
• Fábricas de aros y de nudos de algodón, similares a las pequeñas fábricas de barras comerciales.
• Laminadoras de placas de blindaje con rodillos de 44 a 50  pulgadas de diámetro y un cuerpo de 140 a 180 pulgadas.
• Laminadores de placas con rodillos de 28 a 44  pulgadas de diámetro.
• Laminadoras de chapa con rodillos de 20 a 32  pulgadas de diámetro.
• Laminadores universales para la producción de planchas de borde cuadrado o denominadas planchas universales y diversas formas de brida ancha mediante un sistema de rodillos verticales y horizontales.

Un tren de laminación en tándem es un tipo especial de tren de laminación moderno donde el laminado se realiza en una sola pasada. En un tren de laminación tradicional, el laminado se realiza en varias pasadas, pero en un tren de laminación en tándem hay varios soportes (≥2 soportes) y las reducciones se realizan sucesivamente. El número de soportes varía de 2 a 18.

Los laminadores en tándem pueden ser de tipo laminador en caliente o en frío.

Las laminadoras en frío pueden dividirse además en plantas de procesamiento continuo o por lotes.

Un laminador continuo cuenta con una torre de enrollamiento que permite que el laminador continúe laminando lentamente la banda dentro de la torre, mientras una soldadora une el extremo de la bobina actual con el extremo de la siguiente bobina. En la salida del laminador suele haber una cizalla volante (para cortar la banda en la soldadura o cerca de ella), seguida de dos bobinadoras; una se descarga mientras la otra enrolla la banda en la bobina actual.

Las torres de bucle también se utilizan en otros lugares; como en líneas de recocido continuo , líneas de estañado electrolítico continuo y líneas de galvanizado continuo .

En el laminado en caliente, si la temperatura de la pieza no es uniforme, el flujo del material será mayor en las partes más calientes y menor en las más frías. Si la diferencia de temperatura es lo suficientemente grande, pueden producirse grietas y desgarros. ^{[ 13 ]} Las secciones más frías son, entre otras cosas, resultado de los soportes en el horno de recalentamiento.

En el laminado en frío, prácticamente toda la variación del espesor de la banda es el resultado de la excentricidad y la falta de redondez de los rodillos de apoyo, desde aproximadamente el soporte 3 del tren de laminación en caliente hasta el producto terminado.

La excentricidad del rodillo de respaldo puede alcanzar hasta 100 μm por pila. Esta excentricidad se puede medir fuera de línea graficando la variación de fuerza en función del tiempo con el laminador en velocidad de deslizamiento, sin banda presente y con el soporte del laminador debajo de la cara. 

En la planta de laminación en frío de 5 soportes de Bluescope Steel, en Port Kembla, se empleó un análisis de Fourier modificado desde 1986 hasta su cese de producción en 2009. Dentro de cada bobina, se almacenó en un archivo la desviación del espesor de salida multiplicada por 10 para cada metro de banda. Este archivo se analizó por separado para cada frecuencia/longitud de onda, desde 5 m hasta 60 m, en pasos de 0,1 m. Para mejorar la precisión, se tuvo cuidado de utilizar un múltiplo completo de cada longitud de onda (100*). Las amplitudes calculadas se graficaron en función de la longitud de onda, de modo que los picos pudieran compararse con las longitudes de onda esperadas generadas por los rodillos de respaldo de cada soporte.   

Si un soporte de laminación está equipado con pistones hidráulicos en serie con los tornillos mecánicos accionados eléctricamente, o en su lugar, es posible eliminar el efecto de la excentricidad de los rodillos de apoyo. Durante el laminado, la excentricidad de cada rodillo de apoyo se determina muestreando la fuerza de laminación y asignándola a la porción correspondiente de la posición de rotación de cada rodillo. Estos registros se utilizan para accionar el pistón hidráulico y neutralizar las excentricidades.

En una pieza metálica plana, la planitud es un atributo descriptivo que caracteriza el grado de desviación geométrica respecto a un plano de referencia. La desviación de la planitud completa es el resultado directo de la relajación de la pieza tras el laminado en caliente o en frío, debido al patrón de tensiones internas causado por la acción compresiva transversal no uniforme de los rodillos y las propiedades geométricas desiguales del material de entrada. La distribución transversal de la tensión diferencial inducida por la deformación/elongación con respecto a la tensión media aplicada al material se denomina comúnmente forma. Debido a la estrecha relación entre forma y planitud, estos términos pueden utilizarse indistintamente. En el caso de tiras y láminas metálicas, la planitud refleja la elongación diferencial de las fibras a lo largo del ancho de la pieza. Esta propiedad debe estar sujeta a un control preciso basado en retroalimentación para garantizar la maquinabilidad de las láminas metálicas en los procesos de transformación final. Algunos detalles tecnológicos sobre el control de retroalimentación de la planitud se proporcionan en ^{[ 31 ] .}

Llanura

Mantener una separación uniforme entre los rodillos es difícil porque estos se deforman bajo la carga necesaria para deformar la pieza. Esta deformación provoca que la pieza sea más delgada en los bordes y más gruesa en el centro. Esto se puede solucionar utilizando un rodillo abombado (abombado parabólico); sin embargo, este rodillo solo compensa un conjunto específico de condiciones: el material, la temperatura y la cantidad de deformación. ^{[ 15 ]}

Otros métodos para compensar la deformación de los rodillos incluyen la curvatura variable continua (CVC), el laminado cruzado por pares y la flexión de los rodillos de trabajo. La CVC, desarrollada por SMS-Siemag AG, consiste en rectificar una curva polinómica de tercer orden en los rodillos de trabajo y luego desplazarlos lateralmente, de forma simétrica y opuesta entre sí. El resultado es una separación parabólica entre los rodillos que varía con el desplazamiento lateral, lo que permite controlar dinámicamente la curvatura. El laminado cruzado por pares utiliza rodillos planos o con curvatura parabólica, desplazando sus extremos en ángulo para aumentar o disminuir la separación entre los bordes, permitiendo así un control dinámico de la curvatura. La flexión de los rodillos de trabajo utiliza cilindros hidráulicos en los extremos para contrarrestar la deflexión.

Otra forma de superar los problemas de deflexión es disminuyendo la carga sobre los rodillos, lo cual se puede lograr aplicando una fuerza longitudinal; esto es esencialmente estirar . Otros métodos para disminuir la deflexión de los rodillos incluyen aumentar el módulo de elasticidad del material del rodillo y agregar soportes de respaldo a los rodillos. ^{[ 15 ]}

Las diferentes clasificaciones de defectos de planitud son:

• Ondulación simétrica en los bordes: los bordes a ambos lados de la pieza de trabajo presentan una forma ondulada debido a que el material en los bordes es más largo que el material en el centro.
• Ondulación asimétrica en el borde: un borde es "ondulado" debido a que el material de un lado es más largo que el del otro lado.
• Hebilla central: el centro de la tira es "ondulado" debido a que la tira central es más larga que la tira de los bordes.
• Deformación en cuartos: Este es un defecto poco común en el que las fibras se alargan en las regiones de cuartos (la porción de la tira entre el centro y el borde). Normalmente se debe a una fuerza de flexión excesiva durante el laminado, ya que esta fuerza puede no compensar la deflexión a lo largo de toda la longitud del rollo.

Se puede presentar un defecto de planitud incluso con una pieza de trabajo de espesor uniforme a lo ancho. Asimismo, se puede obtener una curvatura o cuña considerable, pero aun así producir material plano. Para obtener material plano, este debe reducirse en el mismo porcentaje a lo ancho. Esto es importante porque se debe preservar el flujo de masa del material, y cuanto más se reduce, más se alarga. Si el material se alarga de la misma manera a lo ancho, la planitud que entra en la laminadora se conservará a la salida.

La diferencia entre el espesor de la pieza de metal inicial y la laminada se llama desmoldeo. Por lo tanto, si${\displaystyle t_{i}}$es el espesor inicial y${\displaystyle t_{f}}$es el espesor final, entonces el desmoldeo d viene dado por

${\displaystyle d=t_{i}-t_{f}}$

El máximo tiro que se puede lograr mediante rodillos de radio R con coeficiente de fricción estática f entre el rodillo y la superficie metálica viene dado por

${\displaystyle d_{\max }=f^{2}R}$

Esto ocurre cuando la fuerza de fricción sobre el metal debida al contacto de entrada coincide con la fuerza negativa debida al contacto de salida.

Existen seis tipos de defectos superficiales: ^{[ 32 ]}

Regazo

Este tipo de defecto se produce cuando una esquina o aleta se dobla y se enrolla, pero no se suelda al metal. ^{[ 33 ]} Aparecen como costuras en la superficie del metal.

cizallamiento de molino

Estos defectos se presentan como una especie de solapamiento similar a una pluma.

Escala enrollada

Esto ocurre cuando la cascarilla de laminación se incorpora al metal mediante laminación.

costras

Se trata de largas franjas de metal suelto que se han incorporado a la superficie del metal mediante un proceso de enrollado.

Costuras

Son líneas abiertas y discontinuas que recorren la longitud del metal y que son causadas por la presencia de cascarilla, así como por la rugosidad del laminador de desbaste.

Fragmentos

Roturas superficiales prominentes.

Muchos defectos superficiales pueden eliminarse de la superficie de productos laminados semiacabados antes de su posterior laminado. Los métodos de eliminación de defectos han incluido el cincelado manual (siglos XVIII y XIX); el cincelado y rectificado motorizado con cinceles y amoladoras neumáticas; la quema con un soplete de oxicorte , cuya presión de gas expulsa el metal o la escoria fundida por la llama; ^{[ 34 ]} y el cincelado láser.

• Degarmo, E. Paul; Black, J. T.; Kohser, Ronald A. (2003), Materiales y procesos en la fabricación (9.ª  ed.), Wiley, ISBN 978-0-471-65653-1.
• Roberts, William L. (1978), Laminación en frío del acero , Marcel Dekker, ISBN 978-0-8247-6780-8.
• Roberts, William L. (1983), Laminación en caliente del acero , Marcel Dekker, ISBN 978-0-8247-1345-4.
• Doege, E.; Behrens, B.-A.: Handbuch Umformtechnik: Grundlagen, Technologien, Maschinen (en alemán), 2.ª edición, Springer Verlag, 2010, ISBN 978-3-642-04248-5