Trabajo en Frío Explicado: Técnicas, Diferencias con Trabajo en Caliente y Beneficios Clave
En este artículo aprenderemos sobre los procesos de trabajo en frío, métodos, diferencia entre trabajo en caliente y en frío, ventajas y desventajas.
¿Qué es el Trabajo en Frío?
El trabajo en frío es el proceso de conformado de metal en el que la deformación ocurre por debajo de su temperatura de recristalización.
El conformado en frío, también conocido como trabajo en frío, es cualquier proceso de trabajo de metal en el que este se forma por debajo de su temperatura de recristalización, usualmente a temperatura ambiente. Se contrasta con técnicas de trabajo en caliente como laminación en caliente, forjado, soldadura, etc.
Es una técnica común en metales no frágiles con puntos de fusión muy altos. También puede usarse para fortalecer diversos polímeros. Las áreas trabajadas en frío son más propensas a corrosión por la mayor concentración de dislocaciones.
¿Qué es la Temperatura de Recristalización?
La temperatura a la que se forman nuevos granos libres de tensiones en un metal se conoce como temperatura de recristalización.
Efectos del Trabajo en Frío
El trabajo en frío se emplea principalmente como operación de acabado, tras dar forma al metal por trabajo en caliente. También controla en gran medida las propiedades mecánicas del acero. Aumenta la resistencia a tracción, límite elástico y dureza, pero reduce la ductilidad. El aumento de dureza por trabajo en frío se denomina endurecimiento por trabajo.
En general, el trabajo en frío produce:
- Tensiones internas que permanecen en el metal salvo que se eliminen con tratamiento térmico adecuado
- Distorsión de la estructura de grano
- Aumento de resistencia y dureza, disminución de ductilidad
- Acabado superficial liso
- Dimensiones precisas de las piezas
Procesos de Trabajo en Frío
El trabajo en frío es el proceso de trabajar a temperaturas inferiores a la de recristalización o a temperatura ambiente.
El lingote se coloca detrás de un par de rodillos. El lingote está a temperatura ambiente o ligeramente superior pero por debajo de la temperatura de recristalización al pasar por los rodillos.
Al pasar a temperatura ambiente, este método generalmente requiere alta fuerza de compresión. La estructura de grano cambia y forma nueva forma por la alta fuerza. Los metales frágiles se trabajan en frío.
Métodos de Procesos de Trabajo en Frío
Los métodos principales son:
- Laminación en frío
- Forjado en frío
- Estirado en frío
- Doblado en frío
- Conformado por giro en frío
- Extrusión en frío
- Apisonado en frío
- Granallado en frío
- Calibrado, acuñado, avellanado
1. Laminación en Frío
Barras de todas las formas, varillas, chapas y tiras se acaban comúnmente por laminación en frío. El papel de aluminio se hace de metales blandos así. Dos razones principales: obtener acabado superficial liso y brillante y mejorar propiedades físicas. Si solo se busca acabado limpio, basta una laminación superficial.
Si se desea aumentar sustancialmente resistencia a tracción, rigidez y dureza, y reducir espesor apreciablemente, se necesitan mayores presiones y mayor amasado. La laminación en frío también mejora la mecanizabilidad al conferir fragilidad, condición propicia para acabados de herramienta suaves y virutas bien rotas.
Como paso previo, chapas y tiras de acero laminado en caliente se sumergen en ácido para eliminar escoria, se lavan y secan. El acero limpio pasa repetidamente por juegos de rodillos produciendo ligera reducción en cada pasada hasta obtener el espesor requerido.
2. Forjado en Frío
El forjado en frío es el proceso de deformar un material metálico a temperatura ambiente usando presión extremadamente alta. La pieza se coloca en un molde y se comprime con una prensa hasta que encaja en la forma deseada. Según la complejidad geométrica, pueden requerirse varias operaciones para deformar gradualmente el metal.
3. Estirado en Frío
Las operaciones de estirado en frío implican forzar el metal a través de una matriz mediante fuerza de tracción aplicada en el lado de salida. La mayor parte de la deformación es por la fuerza compresiva que surge de la reacción con la matriz. Usualmente el metal tiene simetría circular, requisito absoluto.
Varillas, tubos y extrusiones a menudo reciben acabado en frío para reducir tamaño, aumentar resistencia, mejorar acabado y dar mejor precisión.
4. Doblado en Frío
El doblado transforma una longitud recta en curva. Es uno de los procesos más usados para convertir chapas en tambores, canales curvos, etc. Barras, varillas, alambres, tubos y perfiles, así como chapa, se doblan en frío mediante matrices.
En todo doblado, el metal tensionado más allá del límite elástico está en tensión en el exterior y compresión en el interior de la curva. El estiramiento exterior adelgaza el material. El doblado de tira plana se hace comúnmente por conformado con rodillos.
5. Conformado por Giro en Frío
El conformado por giro en frío es la operación de dar forma a metal muy delgado presionándolo contra una forma mientras gira. El método es exactamente similar al giro en caliente, salvo la condición del metal. En el giro en frío el metal se trabaja a temperatura ambiente.
Equipo: torno, herramientas de conformado, y forma de metal o madera según la forma requerida. Un disco circular se corta y posiciona contra la forma por un seguidor. Se usa herramienta de punta redonda y, mientras el torno gira, el disco se fuerza a la forma.
6. Extrusión en Frío
El principio de la extrusión en frío es exactamente similar al de la extrusión en caliente. De los diversos procesos, la extrusión por impacto es esencialmente un método de extrusión en frío.
6. Extrusión por Impacto
La extrusión por impacto se limita principalmente a piezas pequeñas de metales más dúctiles. El material se coloca en una matriz ciega y un punzón con holgura se fuerza en la matriz, haciendo que el metal fluya plásticamente alrededor del punzón. El diámetro exterior del tubo es el de la matriz, y el espesor se controla por la holgura entre punzón y matriz. La fuerza de extrusión suele venir de una prensa mecánica. Tubos de medicamentos y pasta dental se hacen así.
7. Apisonado en Frío
El apisonado en frío es una operación de apisonado a temperaturas bien por debajo del punto de fusión para acabar la superficie de una pieza mejorando precisión dimensional y acabado.
El apisonado es forma rápida y usada de conformar metales dúctiles. De los procesos, el embutido en frío y el roturado rotativo son muy comunes.
Embutido en frío: Proceso de forjado en frío, usado principalmente para fabricar tornillos, tornillos, remaches, clavos y artículos similares.
Roturado rotativo: Proceso para reducir sección transversal de varillas y tubos. Aceptado como operación de forjado en frío, porque la conformación ocurre bajo golpes de martillo de secciones de matriz. La máquina consiste principalmente en un husillo hueco que porta las secciones de matriz y rodillos.
8. Granallado en Frío
El granallado en frío se emplea para crear un estado superficial de tensión compresiva, causando que el interior asuma tensión opuesta. Como la fatiga suele ocurrir en superficie cargada cíclicamente en tensión, la vida útil de tales miembros se extiende frecuentemente con granallado. A veces se usa para efecto ornamental.
El granallado se hace lanzando lluvia de pequeña granalla a alta velocidad contra piezas para causar ligeras hendiduras.
9. Calibrado, Acuñado y Avellanado
Piezas de hierro maleable, acero forjado, metales pulverizados, aluminio y otros metales no ferrosos dúctiles se acaban comúnmente a espesor por apisonado, operación llamada calibrado. Se necesita matriz especial para casi cada trabajo, pero cada pieza se calibra en fracción del tiempo de mecanizado. Así, el calibrado es económico donde aplica en alta producción.
Operaciones como calibrado se han llamado acuñado, pero el acuñado propiamente implica la impresión y relieve de imágenes o caracteres de un punzón y matriz en el metal. El metal fluye, y los diseños en caras opuestas de una pieza acuñada no necesariamente se relacionan como en repujado. La moneda es el producto más conocido del acuñado.
El avellanado (hobbing) es un método para hacer moldes para industrias de plástico y fundición a presión. Un punzón llamado avellanador, mecanizado de acero para herramientas con la forma de la cavidad, tratado térmicamente para dureza y pulido, se presiona en un blanco de acero blando para formar el molde. Una ventaja es que un avellanador bien aplicado puede hacer varias cavidades en un molde o en serie. Calibrado, acuñado, avellanado, etc., se ilustran en Fig. 7.16.
Diferencia entre Trabajo en Caliente y Trabajo en Frío
| TRABAJO EN CALIENTE | TRABAJO EN FRÍO |
| 1. Técnica de deformar plásticamente un metal por encima de su temperatura de recristalización. | 1. Técnica de reforzar un metal por deformación plástica a temperaturas por debajo de la temperatura de recristalización (endurecimiento por trabajo). |
| 2. Se realiza a temperaturas superiores a la de recristalización. | 2. Se realiza a temperaturas inferiores a la de recristalización. |
| 3. No hay tensiones internas ni residuales en el metal. | 3. Se desarrollan tensiones internas y residuales. |
| 4. El metal se deforma y recristaliza simultáneamente. | 4. No hay recuperación significativa del metal. |
| 5. Puede eliminar grietas o poros. | 5. Causa proliferación de grietas y aparición de nuevas. |
| 6. Homogeneidad muy alta tras el trabajo. | 6. Homogeneidad baja tras el trabajo. |
Ventajas del Trabajo en Frío
- Acabado superficial liso
- Dimensiones precisas
- Mejora resistencia y dureza, reduce ductilidad
- Sin calor, no se forma óxido en superficie, acabado liso
- Principalmente para producción en masa
- Defectos fácilmente detectables y reparables
- Al mejorar resistencia a tracción, límite elástico y ductilidad, se reduce resistencia a óxido
- Previene pérdida de metal por corrosión
- No requiere calentar el metal
- Ahorra dinero al no requerir calentamiento
- Ocurre endurecimiento por deformación
Desventajas del Trabajo en Frío
- Requiere superficie limpia y lisa
- Metales frágiles no pueden trabajarse bien en frío
- Requiere más fuerza para iniciar y terminar
- Necesita maquinaria más potente
- Deformación máxima limitada por capacidad de prensa y martillo por mayor límite elástico y baja ductilidad
Aplicaciones del Trabajo en Frío
- Fabricación de variedad de productos: chapas planas grandes, tubos metálicos, cabezas de tornillo, uniones remachadas, etc.
- Usado en aviación, hierro y acero, automóvil, etc.
- Más común con metales dúctiles
- Usado tras trabajo en caliente por acabado liso y resistencia
- Múltiples productos mediante cizallado, laminación en frío, extrusión en frío
¿Cuál es el Propósito del Trabajo en Frío?
El trabajo en frío fortalece el metal cambiando su forma sin calor. Someterlo a estrés mecánico causa cambio permanente en su estructura cristalina, aumentando la resistencia.
Fortalece mediante endurecimiento por deformación (work hardening): un metal dúctil se vuelve más duro y fuerte al deformarse plásticamente. El coste es reducción de ductilidad.
Preguntas Frecuentes
El trabajo en frío del metal aumenta
1. Límite elástico
2. Resistencia a tracción
3. Dureza
4. Todos los anteriores
Respuesta correcta: 4. Todos los anteriores
Explicación: El endurecimiento por trabajo ocurre en procesos que inducen deformación plástica intencional para cambio de forma. Son procesos de trabajo en frío. El trabajo en frío aumenta dureza, límite elástico y resistencia a tracción.
Qué aumenta el trabajo en frío
1. Ductilidad
2. Resistencia al impacto
3. Porcentaje de elongación
4. Resistencia a fatiga
Respuesta correcta: 4. Resistencia a fatiga
La mayoría del conformado en frío se hace a temperatura ambiente con materiales aceros de bajo y medio carbono, aceros de baja aleación, cobre y aleaciones ligeras, titanio y berilio.
El trabajo en frío del acero se define como trabajar
1. A su temperatura de recristalización
2. Por encima de su temperatura de recristalización
3. Por debajo de su temperatura de recristalización
4. A dos tercios de la temperatura de fusión
Respuesta: Opción 3
¿Cuál de los siguientes NO mejora el trabajo en frío de metales?
1. Dureza
2. Tenacidad
3. Acabado superficial
4. Resistencia a corrosión
Respuesta: 4. Resistencia a corrosión
El trabajo en frío del metal se realiza a
1. Por debajo de temperatura de recristalización
2. Por debajo de temperatura de recristalización
3. Temperatura de recristalización
4. Cualquiera de las anteriores
Respuesta: 1. Por debajo de temperatura de recristalización
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