Laminación: el proceso fundamental de conformado de metales en la producción de acero

Definición y concepto básico

El laminado es un proceso de conformado de metales en el que la pieza metálica se pasa por uno o más pares de rodillos para reducir su espesor, uniformizarlo o conferirle una propiedad mecánica deseada. Representa uno de los procesos de deformación más fundamentales y utilizados en la industria siderúrgica, representando aproximadamente el 90 % de todos los productos metálicos fabricados.

El laminado transforma la microestructura inicial del acero fundido en una estructura forjada con propiedades mecánicas mejoradas. El proceso induce una deformación plástica que rompe la estructura dendrítica del acero fundido y crea una estructura de grano direccional más refinada.

Dentro del campo más amplio de la metalurgia, el laminado ocupa un lugar central como técnica principal de trabajo de metales que conecta la fabricación de acero con la fabricación de productos terminados. Sirve tanto para dar forma al acero como para controlar su microestructura y propiedades mediante el procesamiento por deformación.

Naturaleza física y fundamento teórico

Mecanismo físico

A nivel microestructural, el laminado induce deformación plástica mediante el movimiento de dislocaciones dentro de la red cristalina del acero. A medida que el material pasa entre rodillos, las tensiones de compresión superan el límite elástico, lo que provoca que las dislocaciones se multipliquen y se desplacen a lo largo de los planos de deslizamiento.

Este proceso de deformación produce el alargamiento del grano en la dirección de laminación y su refinamiento mediante recristalización cuando se realiza a temperaturas elevadas. El movimiento y la interacción de las dislocaciones provocan el endurecimiento por acritud en la laminación en frío o la recuperación dinámica y la recristalización en la laminación en caliente.

La deformación aplicada provoca el desarrollo de texturas cristalográficas, donde ciertas orientaciones de los cristales se alinean preferentemente con respecto a la dirección de laminación. Estas texturas influyen significativamente en la anisotropía mecánica del producto laminado.

Modelos teóricos

El método de losa representa el principal modelo teórico para analizar los procesos de laminación, desarrollado por von Kármán a principios del siglo XX. Este enfoque considera la zona de deformación como un continuo y aplica los principios de equilibrio de fuerzas para predecir las fuerzas de laminación y los requisitos de potencia.

La comprensión histórica evolucionó desde observaciones empíricas hasta sofisticados modelos computacionales. Los primeros trabajos de Siebel y Orowan establecieron relaciones fundamentales entre la fuerza de rodadura, el área de contacto y la tensión de flujo del material.

Los enfoques modernos incluyen el modelado de elementos finitos (MEF), que considera la deformación elástica de los rodillos (aplanamiento de los rodillos), los gradientes de temperatura y la evolución microestructural. Los métodos de límite superior proporcionan soluciones analíticas para patrones de deformación más complejos, mientras que los modelos de plasticidad cristalina vinculan la deformación macroscópica con los mecanismos de deslizamiento cristalográfico.

Fundamentos de la ciencia de los materiales

El laminado afecta directamente la estructura cristalina al alargar los granos en la dirección de laminado y comprimirlos en la dirección normal. En los límites de grano, la deformación crea regiones de alta energía que pueden servir como sitios de nucleación para la recristalización durante el recocido posterior.

La evolución de la microestructura durante el laminado depende de la temperatura, la deformación y la velocidad de deformación. El laminado en caliente (por encima de la temperatura de recristalización) produce una recristalización y recuperación dinámicas, mientras que el laminado en frío genera energía almacenada mediante el endurecimiento por acritud sin recristalización inmediata.

El laminado se conecta con los principios fundamentales de la ciencia de los materiales: deformación plástica, endurecimiento por acritud, recuperación, recristalización y crecimiento del grano. El proceso ejemplifica cómo la deformación controlada puede modificar la microestructura para lograr las propiedades mecánicas deseadas.

Métodos de expresión y cálculo matemático

Fórmula de definición básica

El parámetro fundamental en el laminado es el calado, definido como la reducción del espesor:

$$d = h_0 - h_f$$

Dónde:
- $d$ = calado absoluto (mm)
- $h_0$ = espesor inicial (mm)
- $h_f$ = espesor final (mm)

La reducción porcentual viene dada por:

$$r = \frac{h_0 - h_f}{h_0} \veces 100\%$$

Fórmulas de cálculo relacionadas

La fuerza de balanceo se puede calcular utilizando:

$$F = w \cdot L \cdot \bar{p}$$

Dónde:
- $F$ = fuerza de rodadura (N)
- $w$ = ancho de la tira (mm)
- $L$ = longitud proyectada de contacto (mm)
- $\bar{p}$ = presión media (MPa)

La duración proyectada del contacto se aproxima mediante:

$$L \approx \sqrt{R \cdot (h_0 - h_f)}$$

Donde $R$ es el radio del rollo (mm).

El par por rollo se calcula como:

$$T = F \cdot a$$

Donde $a$ es el brazo de palanca (mm), normalmente aproximado como $L/2$.

Condiciones y limitaciones aplicables

Estas fórmulas suponen rodillos rígidos y una deformación homogénea, lo que resulta menos preciso con grandes deformaciones de rodillos o al laminar materiales de alta resistencia.

El método de losa es válido para relaciones ancho-espesor superiores a 10, donde predominan las condiciones de deformación plana. Para franjas más estrechas, los efectos de borde se vuelven significativos y se requieren modelos 3D.

Estos modelos suponen condiciones isotérmicas, lo que rara vez es cierto en el laminado industrial, donde existen gradientes de temperatura a través del espesor y a lo largo de la dirección del laminado.

Métodos de medición y caracterización

Especificaciones de pruebas estándar

ASTM A1030: Práctica estándar para medir las características de planitud de productos de chapa de acero.

ISO 9517: Materiales metálicos. Láminas y tiras. Determinación de la relación de deformación plástica.

ASTM E517: Método de prueba estándar para la relación de deformación plástica r para chapa metálica.

ASTM E8/E8M: Métodos de prueba estándar para pruebas de tensión de materiales metálicos, utilizados para evaluar propiedades después del laminado.

Equipos y principios de prueba

Los laminadores varían desde los de laboratorio (normalmente de dos alturas) hasta los industriales de múltiples cajas. Los laminadores instrumentados miden la fuerza, el par y la velocidad de los rodillos mediante celdas de carga, torquímetros y codificadores.

Los medidores de espesor ópticos y láser monitorean continuamente el espesor durante el laminado. Estos sistemas utilizan los principios de transmisión de luz, reflexión o triangulación para lograr precisiones de ±1 μm.

La caracterización avanzada emplea difracción de retrodispersión de electrones (EBSD) para analizar la textura cristalográfica y difracción de rayos X para medir las tensiones residuales inducidas por el laminado.

Requisitos de muestra

Las muestras estándar para evaluar productos laminados generalmente siguen las dimensiones especificadas en ASTM E8/E8M, con longitudes de calibre de 50 mm y anchos de 12,5 mm para materiales laminados.

La preparación de la superficie para el análisis microestructural requiere esmerilado, pulido hasta obtener un acabado de espejo y grabado con reactivos adecuados (por ejemplo, 2-5 % de Nital para aceros al carbono).

Las muestras deben tomarse en múltiples orientaciones (dirección de laminación, dirección transversal y 45° respecto de la dirección de laminación) para caracterizar la anisotropía inducida por la laminación.

Parámetros de prueba

Las pruebas estándar normalmente se realizan a temperatura ambiente (23 ± 5 °C), a menos que se evalúen propiedades de alta temperatura o se simulen condiciones de servicio.

Las tasas de deformación para pruebas de tracción de productos laminados generalmente varían de 10^-3 a 10^-4 s^-1 según ASTM E8/E8M.

Los parámetros del proceso de laminación incluyen la velocidad del rodillo (0,5-20 m/s), la reducción por pasada (normalmente 10-30% para laminación en caliente, 5-15% para laminación en frío) y la temperatura de laminación (1000-1250 °C para laminación en caliente de aceros al carbono).

Proceso de datos

Los datos de fuerza-desplazamiento se recopilan a través de sistemas de adquisición digital a frecuencias de muestreo de 10 a 100 Hz durante el rodamiento de laboratorio.

El análisis estadístico generalmente implica el cálculo de valores medios y desviaciones estándar de múltiples muestras, con un mínimo de tres muestras por condición.

Los datos de textura de EBSD o difracción de rayos X se procesan utilizando funciones de distribución de orientación (ODF) para cuantificar las orientaciones cristalográficas preferidas resultantes del laminado.

Rangos de valores típicos

Clasificación del acero	Reducción típica por pasada	Temperatura de laminación	Estándar de referencia
Acero bajo en carbono	20-30% (caliente), 5-15% (frío)	850-1150 °C (caliente), 20-100 °C (frío)	ASTM A1011
Alta resistencia y baja aleación	15-25% (caliente), 3-10% (frío)	900-1200°C (caliente), 20-100°C (frío)	ASTM A1018
Acero inoxidable	10-20% (caliente), 2-8% (frío)	1050-1250 °C (caliente), 20-100 °C (frío)	ASTM A480
Acero para herramientas	5-15% (caliente), 1-5% (frío)	1000-1200°C (caliente), 20-150°C (frío)	ASTM A681

Las variaciones dentro de cada clasificación dependen principalmente del contenido de carbono y de los elementos de aleación, que afectan la tensión de flujo y el comportamiento de recristalización.

Estos valores guían la configuración del molino, pero deben ajustarse según la composición específica de la aleación, las propiedades finales deseadas y las capacidades del molino. Los aceros de mayor aleación generalmente requieren menores reducciones por pasada debido a su mayor resistencia a la deformación.

Existe una tendencia clara donde el aumento del contenido de aleación requiere temperaturas de laminación más altas y reducciones más bajas por pasada para lograr una deformación similar sin agrietamiento o desgaste excesivo del rodillo.

Análisis de aplicaciones de ingeniería

Consideraciones de diseño

Los ingenieros deben tener en cuenta las propiedades direccionales (anisotropía) de los productos laminados al diseñar componentes. La dirección de laminado suele presentar mayor resistencia y menor ductilidad que la dirección transversal.

Los factores de seguridad para productos laminados generalmente varían de 1,5 a 2,5, y se aplican valores más altos cuando la dirección de carga es perpendicular a la dirección de laminación o cuando las propiedades de espesor completo son críticas.

Las decisiones de selección de materiales a menudo priorizan los productos laminados con un desarrollo de textura adecuado para operaciones de conformado específicas, como embutición profunda (valor r alto) u operaciones de estiramiento (anisotropía planar equilibrada).

Áreas de aplicación clave

Los paneles de carrocería requieren programas de laminado controlados con precisión para lograr una formabilidad óptima y mantener la resistencia. Los aceros avanzados de alta resistencia utilizan estrategias de laminado y enfriamiento cuidadosamente diseñadas para desarrollar microestructuras multifásicas.

El acero estructural para la construcción exige propiedades consistentes en todo el espesor logradas mediante prácticas de laminación controladas que refinan el tamaño del grano y minimizan la segregación en la línea central.

Los aceros para tuberías utilizan un laminado controlado seguido de un enfriamiento acelerado para desarrollar microestructuras de grano fino con excelentes combinaciones de resistencia, tenacidad y soldabilidad para entornos operativos hostiles.

Compensaciones en el rendimiento

La resistencia y la conformabilidad representan un equilibrio fundamental en los productos laminados. El laminado en frío aumenta la resistencia mediante el endurecimiento por acritud, pero reduce la conformabilidad, lo que requiere tratamientos de recocido posteriores para muchas aplicaciones.

La calidad del acabado superficial suele competir con la productividad, ya que velocidades de laminación más altas pueden provocar defectos superficiales, mientras que velocidades más lentas reducen la producción del laminador. Este equilibrio es especialmente crítico en aplicaciones automotrices expuestas.

Los ingenieros deben equilibrar el refinamiento del grano (para lograr resistencia) con el desarrollo de la textura (para lograr formabilidad) optimizando los programas de reducción y las temperaturas de laminado, particularmente en aceros avanzados de alta resistencia.

Análisis de fallos

El agrietamiento de los bordes es un modo de fallo común durante el laminado, causado por tensiones de tracción en los bordes de la banda que superan la ductilidad del material. Esto suele deberse a una reducción excesiva por pasada o a un acondicionamiento inadecuado de los bordes del material entrante.

El efecto cocodrilo (defecto de división central) se produce cuando el centro de la tira se mueve más rápido que las superficies, lo que genera una fuerza cortante interna que se propaga en una división longitudinal. Este mecanismo se relaciona con las condiciones de fricción y la deformación no homogénea a través del espesor.

Estas fallas se pueden mitigar mediante un recorte adecuado de los bordes antes del laminado, programas de reducción graduados y manteniendo condiciones de lubricación apropiadas entre el rodillo y la pieza de trabajo.

Factores influyentes y métodos de control

Influencia de la composición química

El contenido de carbono afecta dramáticamente el comportamiento de rodadura, ya que cada aumento del 0,1 % incrementa la tensión de flujo en aproximadamente 35-40 MPa, lo que requiere mayores fuerzas de rodadura y limita las reducciones alcanzables.

Los oligoelementos como el fósforo y el azufre pueden segregarse en los límites de los granos, lo que reduce la ductilidad en caliente y aumenta el riesgo de agrietamiento de los bordes durante el laminado, particularmente por encima de una concentración del 0,025 %.

Los elementos de microaleación (Nb, Ti, V) se agregan estratégicamente en una proporción de 0,02-0,1 % para controlar la recristalización durante el laminado en caliente, lo que permite el refinamiento del grano a través de la fijación por precipitación de los límites del grano.

Influencia microestructural

Los tamaños de grano iniciales más finos reducen la fuerza de laminación requerida pero pueden acelerar la recristalización entre pasadas de laminación, lo que potencialmente limita el efecto de fortalecimiento final.

La distribución de fases afecta significativamente el comportamiento del laminado, y los aceros de doble fase requieren un control cuidadoso de la temperatura para mantener el equilibrio ferrita-martensita deseado durante el laminado en caliente.

Las inclusiones no metálicas actúan como concentradores de tensión durante el laminado, pudiendo nuclear grietas cuando su tamaño excede las dimensiones críticas (normalmente >100 μm para sulfuros y >20 μm para óxidos).

Influencia del procesamiento

El tratamiento térmico previo al laminado puede homogeneizar la microestructura y disolver los precipitados, reduciendo los requisitos de fuerza de laminado en un 10-15% y mejorando la uniformidad de la deformación.

El laminado controlado, en el que la deformación ocurre por debajo de la temperatura de recristalización, produce granos de austenita en forma de panqueque que al enfriarse se transforman en ferrita fina, lo que aumenta la resistencia entre un 20 y un 30 % en comparación con el laminado convencional.

Las tasas de enfriamiento después del laminado en caliente afectan críticamente las propiedades finales: el enfriamiento acelerado (>10 °C/s) promueve productos de transformación fina, mientras que el enfriamiento lento (<1 °C/s) permite la precipitación y el crecimiento del grano.

Factores ambientales

Las variaciones de temperatura a lo largo del ancho o del espesor de los productos laminados pueden provocar deformaciones diferenciales, dando lugar a defectos de planitud, como bordes ondulados o deformaciones centrales.

Los entornos húmedos pueden acelerar el enfriamiento durante el laminado en caliente a través de una mejor transferencia de calor por evaporación, lo que podría crear gradientes microestructurales no deseados si no se controlan adecuadamente.

La formación de incrustaciones de óxido durante el laminado en caliente aumenta con la temperatura y la presión parcial de oxígeno, lo que afecta la calidad superficial y el desgaste del rodillo. El espesor de las incrustaciones suele aumentar a una velocidad de 0,1-0,5 mm/min a temperaturas superiores a 1000 °C.

Métodos de mejora

El procesamiento controlado termomecánico (TMCP) combina un control preciso de la temperatura con programas de reducción de laminado específicos para refinar el tamaño del grano a 5-10 μm, aumentando tanto la resistencia como la tenacidad en un 30-50% en comparación con el laminado convencional.

La optimización de la lubricación puede reducir las fuerzas de laminación entre un 15 % y un 30 %, a la vez que mejora el acabado superficial. Las emulsiones de aceite en agua (con una concentración del 3 % al 10 %) son comunes para la laminación en frío, mientras que la laminación en caliente suele utilizar solo agua para el enfriamiento y la eliminación de incrustaciones.

Los sistemas de doblado y desplazamiento de rodillos de trabajo compensan la deformación elástica de los rodillos, mejorando la tolerancia de espesor a ±0,5% y la planitud a menos de 5 unidades I (desviación de 5 mm/m respecto de la planitud perfecta).

Términos y normas relacionados

Términos relacionados

El endurecimiento por trabajo describe el aumento de resistencia que ocurre durante el laminado en frío debido a la multiplicación y la interacción de las dislocaciones, cuantificado por el exponente de endurecimiento por deformación (valor n).

La anisotropía se refiere a la variación direccional en las propiedades mecánicas resultante de la textura cristalográfica desarrollada durante el laminado, medida por la relación de deformación plástica (valor r).

La recristalización describe la formación de granos nuevos, libres de tensiones, que reemplazan a los granos deformados durante o después del laminado, controlando el tamaño final del grano y la textura del producto.

Estos términos están interconectados a través de la relación fundamental entre el procesamiento de deformación, la evolución microestructural y las propiedades mecánicas finales en productos laminados.

Normas principales

ASTM A1018/A1018M proporciona especificaciones estándar para láminas y tiras de acero al carbono y de baja aleación de alta resistencia laminados en caliente, definiendo los límites de composición química y los requisitos de propiedades mecánicas.

La norma EN 10149 especifica los requisitos para productos planos laminados en caliente fabricados con aceros de alto límite elástico para conformación en frío, y las partes 1 a 3 cubren diferentes clases de resistencia y rutas de procesamiento.

JIS G3131 se diferencia de las normas ASTM al especificar requisitos de planitud más estrictos e incluir parámetros de formabilidad como el valor r y el valor n en su sistema de clasificación.

Tendencias de desarrollo

La investigación actual se centra en el modelado de procesos completos que vincula los parámetros de laminación directamente con la microestructura y las propiedades finales, lo que permite crear gemelos digitales de procesos de laminación para una optimización en tiempo real.

Las tecnologías emergentes incluyen el monitoreo de la microestructura en línea utilizando técnicas electromagnéticas o ultrasónicas, lo que permite el control adaptativo de los parámetros de laminación en función de la evolución de las propiedades del material.

Es probable que los desarrollos futuros integren inteligencia artificial para el control autónomo del laminador, prediciendo y compensando las variaciones del proceso antes de que afecten la calidad del producto, reduciendo potencialmente las variaciones de propiedad en un 30-50%.