procesos de fundición
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INTRODUCCIÓN
La fundición o colado es uno de los procesos más antiguos empleados en
la industria, se encarga de llevar los metales hasta el punto de fusión para
que éste adopte la forma deseada a través del molde. Existen diversos
métodos para la fundición de formas, lo cual hace que éste proceso sea uno
de los más versátiles en manufactura.
Los procesos de de fundición del metal se dividen en dos categorías de
acuerdo al tipo de molde, en permanentes y desechables (no permanente).
La fundición en arena es un proceso que se realiza en moldes desechables;
los moldes deben de cumplir con ciertos requerimientos para que tengan una
calidad satisfactoria, además necesitan un patrón o modelado. Dentro de los
proceso de fundición en arena están otros procesos alternativos como la
fundición de poliestireno expandido, por revestimiento, por concha, de yeso y
cerámica y al vacio.
La fundición centrifuga es una de las fundiciones realizadas en moldes
permanentes, ésta a su vez se subdivide en otras técnicas de función como
centrifuga real, semicentrífuga y centrifugada.
En ese mismo sentido, a este grupo se les une la fundición a alta presión
también llamada fundición de dados, y la fundición a baja presión, cuya
variante es la fundición de molde permanente al vacio. La colada continua es
otro proceso de molde permanente que consta de cuatro etapas importantes
en su acabado. Y por último la fundición en coquilla.
Esta investigación tiene como objetivo general describir los distintos
procesos de fundición: fundición en arena, centrifuga, a presión, en coquilla y
colada continua.
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Asimismo, se plantean los siguientes objetivos específicos:
Exponer en qué consiste la fundición en arena.
Explicar los tipos de modelos, moldes y procesos alternativos en la
fundición en arena.
Explicar los tipos de fundición centrifuga y las ecuaciones que la
definen.
Describir los tipos de fundición a presión
Expresar los procesos de colada continua.
Exponer en qué consiste la fundición en coquillas.
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FUNDICIÓN
La fundición o colado, es la producción de una forma determinada por la
introducción de un material (metal líquido) en una cavidad o molde,
previamente preparada donde se solidifica. Existen dos tipos de moldes, el
molde abierto, en el cual el metal liquido se vacía simplemente hasta llenar la
cavidad abierta, y el molde cerrado, que contiene una vía de paso llamada
sistema de vaciado que permite el flujo del metal fundido desde fuera del
molde hasta la cavidad.
Los procesos de fundición se dividen en dos grandes categorías de
acuerdo al tipo de molde que se usa.
Fundición con molde desechable (o no permanente), el molde donde se
solidifica el metal debe ser destruido para remover la fundición. Estos moldes
se hacen de arena, yeso, o materiales similares que mantienen su forma.
Fundición con molde permanente, está hecho de un metal, o algunas
veces de un refractario cerámico que puede soportar altas temperaturas de
las operaciones de fundición.
PROCESOS DE FUNDICIÓN
FUNDICIÓN EN ARENA
La fundición en arenas es uno de los procesos que pueden usarse para
metales con altas temperaturas de fusión, como son el acero, el níquel y el
titanio.
Este proceso de fundición comienza con la fabricación del modelo de la
pieza a fundir, luego este modelo se coloca en arena y se ubican los
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sistemas de alimentación que guiaran el metal fundido hasta las cavidades
del molde, se deja solidificar el metal fundido y después se rompe para
remover la fundición. Posteriormente pasa por un proceso de limpieza e
inspección y si se requiere, tratamiento térmico.
Figura 1. Pasos en la secuencia de producción de la fundición en arena
Modelos en la fundición de arena
Para realizar una fundición en arena se requiere un modelo o patrón, es
decir, una forma para preparar y producir una cavidad en el molde. El
modelo se sobredimensiona para permitir la contracción del metal cuando
este se solidifica y enfría. Hay varios tipos de modelos:
Modelo sólido, también llamados modelos de una sola pieza, tienen
la misma forma de la fundición y los ajustes en tamaño por contracción
y maquinado; se utiliza para piezas simples y producción a bajas
cantidades.
Modelos divididos, constan de dos piezas que separan la pieza a lo
largo de un plano, éste coincide con el plano de separación del molde;
se obtiene formas complejas y cantidades moderadas de producción.
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Modelo con placa de acoplamiento, las dos piezas del modelo
dividido se adhieren a los lados opuestos de una placa de madera o
metal.
Modelos de doble placa de acoplamiento, las mitades del patrón
dividido se pegan en placas separadas, de manera que las secciones
de la parte superior e inferior del molde se puedan fabricar
independientemente.
Ahora, si la fundición posee superficies internas necesita un corazón, es
decir, un modelo de tamaño natural que se inserte en la cavidad del molde
antes del vaciado, así el metal fundido al fluir solidifica la cavidad entre el
molde y el corazón.
Figura 2. Tipos de patrones utilizados en la fundición de arena.
Moldes
Los moldes para la fundición de arena por lo general están hechos con
arena silícea (SiO2) y otros aditivos, también de arena natural o arena
sintética. Estos moldes deben de cumplir con ciertos requerimientos que
determinen su calidad. Deben ser altamente refractarios para soportar la alta
temperatura del metal fundido, lo suficientemente resistentes de modo que
mantenga su forma y soporte las erosiones causadas por el metal fundido,
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permeables para permitir escapar los gases incluidos a través de los poros, y
estabilidad térmica que le permita resistir el agrietamiento y encorvamiento.
Los moldes de arena se clasifican frecuentemente como arena verde,
arena seca o capa seca, de arcilla, furanicos, de CO2, de metal y los
especiales. Los componentes principales de un molde para fundición en
arena son:
La semicaja superior y la semicaja inferior, ambas contenidas en la caja
del molde, y la unión entre los dos forma el plano de separación
El bebedero, también llamado sistema de vaciado, es el canal o red de
canales por donde fluye el metal fundido hacia la cavidad desde el exterior
del molde.
La cavidad del molde, proporciona las superficies externas de la fundición
pero además puede tener superficies internas, que se definen por el corazón.
Respiraderos, permite el flujo hacia el exterior, del aire y los gases que se
acumulan durante el proceso de fundición en el interior del molde.
Figura 3. Molde utilizado en la fundición en arena; a) molde abierto; b) molde
cerrado.
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Procesos alternativos de fundición en arena
Modelo en concha: proceso de fundición en el cual el molde es una
concha delgada de 3/8 pulg, hecho en arena con una resina termofija.
Figura 4. Pasos en el molde por concha. 1) El modelo metálico se calienta y se coloca sobre la caja con arena y resina; 2) se voltea la caja de modo que la arena caiga sobre el modelo;
3) se voltea la caja a su forma original, en la parte de abajo queda la resina no curada; 4) la concha formada se calienta; 5) se separa del modelo; 6) las dos mitades se ensamblan.
Proceso con poliestireno expandido: utiliza un molde de arena
compacto alrededor de un patrón de espuma de poliestireno que se
vaporiza al vaciar el metal fundido dentro del molde.
Figura 6. Proceso de fundición con piestireno expandido.1) se recubre el molde con un refractario; 2) se coloca en una caja el molde y la arena se compacta; 3) se vacía el metal
fundido.
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Modelo al vacio: también llamado proceso-V, utiliza un molde de
arena que se mantiene unido por presión de vacío.
Figura 5. Pasos en el moldeo al vacio. 1) Se adhiere una hoja delgada de plástico sobre un modelo con placa de acoplmiento;2) se coloca en una caja y se rellena de arena; 3) se coloca una segunda lamina de plástico y se compacta, formando el vacio; 4) se libera el
vacio de la placa de modelo; 5) se ensambla con su otra mitad.
Fundición por revestimiento: el modelo, hecho de cera, se recubre
con material refractario para fabricar el molde, después de esto, la
cera se funde y evacua antes de vaciar el metal fundido.
Figura 7. Pasos en la fundición por revestimiento. 1) Modelos de cera; 2) se adhieren varios
modelos de modo que forme un árbol; 3) se recubre el modelo con material refractario; 4) se forma un molde entero; 5) el molde se sostienen en posición invertida para fundir la cera y se deja escurrir; 6) se precalienta el molde y se vierte el metal; 7) se separa la fundición.
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Fundición de yeso y cerámica: son similares a los de fundición en
arena, excepto que el molde esta hecho de yeso (2CaSO4-H2O) en
lugar de arena, se mezclan aditivos como el talco y la arena de silicio
para controlar la contracción, reducir los agrietamientos e incrementar
la resistencia.
FUNDICIÓN CENTRÍFUGA
La fundición centrífuga se refiere a varios métodos de fundición
caracterizados por utilizar un molde que gira a alta velocidad para que la
fuerza centrifuga distribuya el metal fundido en las regiones exteriores de la
cavidad. Con este método se pueden crear piezas o tubos con capas de
distintos materiales.
Fundición centrífuga real
En la fundición centrífuga real, el metal fundido se vacía en un molde
giratorio para producir una parte tubular, la alta velocidad genera fuerzas
centrifugas que impulsan al metal a tomar la forma de la cavidad del molde.
Figura 8. Disposición de la fundición centrífuga real.
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La orientación del eje de rotación puede ser horizontal o vertical.
HORIZONTAL VERTICAL
Ec(1)
𝐹 =𝑚𝑣2
𝑅
F= fuerza en libras (Lb); m= masa en (kg); v= velocidad, pie/seg y R= radio interior del molde, pie (m)
Ec (2)
𝐺𝐹 =𝐹
𝑊=
𝑚𝑣2
𝑅𝑚𝑔=
𝑣2
𝑅𝑔
W= mg, Lb
Cuadro 1. Ecuaciones que definen las fuerzas centrifugas (horizontal y vertical).
La velocidad v se puede expresar como 𝜋𝑅𝑁 30⁄ , donde N = velocidad
rotacional rev/min, sustituyendo esta expresión en la ec (2), se obtiene
𝐺𝐹 =𝑅 (
𝜋𝑁30
)2
𝑔
Posteriormente al despejar N y sustituir el radio por el diámetro D, se
logra la ecuación para calcular la velocidad rotacional la cual servirá para
que el proceso trabaje satisfactoriamente
𝑁 =30
𝜋√
2𝑔𝐺𝐹
𝐷
Fundición semicentrífuga
En este método se usa la fuerza centrífuga para producir fundiciones
solidas en lugar de partes tubulares, llenando los extremos con material
fundido con buena densidad y uniformidad, mientras que el centro queda con
poca densidad.
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Figura 9. Diagrama de flujo final.
Fundición centrifugada
En la fundición centrifugada el molde se diseña con cavidades parciales
localizadas lejos del eje de rotación, de manera que la fuerza centrifuga
distribuya la colada del metal entre estas cavidades.
Figura 10. a) Fundición centrifugada; b) Fundición.
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FUNDICIÓN A PRESION
Fundición a alta presión
También llamada fundición en dados o matrices, es un proceso en molde
permanente en el cual se inyecta el metal fundido en la cavidad de alta
presión, las presiones varían desde 7 a 350 MPa. La presión se mantiene
durante la solidificación; posteriormente, el molde se abre para remover la
pieza; el molde en la operación de fundición se les llama dados, de allí el
nombre de fundición en dados. Existen dos tipos de maquinas de fundición
en alta presión:
Maquinas de cámara caliente: el metal se funde en un recipiente
adherido a la maquina y se inyecta en el dado usando un pistón de
alta presión, las presiones típicas de inyección son de 7 a 350Mpa.
Figura 11. Ciclo de fundición en cámara caliente. 1) el metal fluye en la cámara con el dado y el embolo levantado; 2) se baja el embolo y fuerza al metal a fluir hacia el dado; 3) se levanta el embolo y se expulsa la parte solidificada;4) parte terminada.
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Maquinas de fundición con cámara fría: el metal fundido procedente
de un contenedor externo para colar, se vacía en una cámara sin
calentar y se usa un pistón para inyectar el metal a alta presión en la
cavidad del dado, las presiones de inyección usadas en esta máquina
van de 14 a 140 MPa.
Figura 12. Ciclo de fundición en cámara fría. 1) se vacía el metal en la cámara con el dado cerrado; 2) el pistón fuerza al metal a fluir al dado; 3) se retrae el pistón, se abre el dado y se retira la solidificación.
Fundición a baja presión
En la fundición a baja presión, el metal liquido se introduce dentro de la
cavidad a una presión aproximada de 0.1 MPa, aplicada desde abajo, de
manera que el metal fluye hacia arriba.
La fundición con molde permanente al vacio es una variante de la
fundición a baja presión en la cual se usa vacio para introducir el material
fundido en la cavidad del molde. La diferencia es que se usa la presión
reducida del vacío en el molde para atraer el metal líquido a la cavidad, en
lugar de forzarlo por una presión de aire desde abajo.
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Figura 13. Fundición a baja presión.
COLADA CONTINUA
Es un proceso mediante una coquilla de grafito que actúa como molde. El
proceso de colada continua mediante solidificación rápida tiene diferentes
etapas; alimentación del sistema y colada, proceso de solidificación, mejora
de la micro-estructura, calidad superficial, textura y propiedades mecánicas
de los materiales.
La colada continua es un procedimiento con el que se producen barras
que avanzan y se solidifican a medida que se va vertiendo el metal líquido en
un horno de retención o lingotera sin fondo, que se alimenta indefinidamente.
Proceso de colada continua
El metal fundido se limpia y homogeniza, luego es vertido en un recipiente
recubierto de refractario donde se retiran de manera superficial las
impurezas, antes de iniciar el proceso se inserta un barra ficticia en la parte
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inferior del molde, cuando el metal se vacía por primera vez, solidifica sobre
la barra ficticia, que es retira a la misma velocidad a la que se vacía el metal,
el metal se mueve hacia abajo a través de moldes de cobre y empieza a
solidificarse formando una costra o cascara, por último se proporciona
enfriamiento adicional con rociadores de agua, los moldes se recubren por
lubricantes sólidos o grafitos que reducen la fricción como la adhesión
molde-metal.
A continuación de este proceso, la fundición terminada pasa por otras
etapas
Molinos Reductores Molinos Templadores
1)
Prensado y elongación
2)
Alcanza propiedades de dureza
Líneas de cromado y esñado Líneas de tenso-nivelado
3)
Aumenta la resistencia a la corrosión
4)
Proporciona máxima planura
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Elementos principales de la instalación de colada continúa
Horno de fundición (donde se funde el cobre y se hace la aleación).
Cuchara (en esta se vacía el bronce del horno de fundición para
trasladarlo al horno de retención).
Horno de retención (mantiene el bronce fundido a una temperatura
uniforme)
Coquilla de grafito
Sección de refrigeración (corriente de agua que entra y sale de la
chaqueta de bronce, produce choque térmico de 1200° a 500°.
Mecanismo de extracción (rodillos acondicionados que obligan a pasar
la barra entre ellos)
Mecanismo de corte.
FUNDICION EN COQUILLA
Una coquilla (molde metálico normalmente fundido gris) es un tipo de
intercambiador de calor el cual está sujeto a las leyes de transferencia de
calor. En el proceso de fundición en coquilla o molde permanente por
gravedad, el metal fundido es vaciado sobre el molde o coquilla y penetra a
través de el por su propio peso, ésta usa un moldé metálico construido de
dos secciones diseñadas para abrir y cerrar con precisión y facilidad.
Fases en el proceso de fundición en coquillas
1. La coquilla se precalienta para evitar choques térmicos.
2. Se inserta el noyo y luego se cierran las dos mitades
3. Dosificar el llenado de la coquilla con el metal fundido.
4. El llenado de la coquilla pasa por el canal y entradas de alimentación.
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5. Se rellenan las mazortas con el fin de evitar que se creen cavidades
por la contracción del metal.
6. Abrir las mitades y extraer la pieza fundida.
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CONCLUSIÓN
La fundición es un tema simple, pero sus procesos son variados y
complejos. La fundición consiste en verter metal líquido en un molde,
creando objetos con formas geométricas simples o complejas. Estos moldes
se clasifican en, moldes permanentes y no permanentes, a su vez estos
pueden ser abiertos o cerrados.
Con referencia a lo anterior, la fundición en arena es un proceso que
tienen diversas etapas. En el modelado por ejemplo, se fabrican los moldes
de la pieza a fundir, estos pueden ser sólidos, divididos, con placa de
acoplamiento y doble placa de acoplamiento. Asimismo, estos moldes se
introducen en una caja de modelado, cuyo objetivo es crear moldes para la
fundición; de igual manera, este tipo de fundición tiene variantes como la
fundición de yeso y cerámica, de poliestireno expandido, fundición al vacio y
en concha.
En el proceso de función centrífuga, el metal se vierte en un molde
giratorio, y para que su proceso sea más satisfactorio, se calcula a través de
una ecuación, la velocidad rotacional con la cual girara el molde. De la
misma manera en que la fundición centrífuga se subdivide, así lo hace la
fundición a presión, en efecto este proceso se puede realizar a alta presión,
el cual se realiza en dos maquinas diferentes (cámara caliente y cámara fría),
y a baja presión.
De manera semejante sucede con la colada continua, dado que en este
proceso la pieza terminada pasa por otras etapas como molinos reductores,
molinos templadores, líneas de cromado y esñado y líneas de termo-
nivelado. Finalmente la fundición en coquilla, la coquilla sirve como un
intercambiador de calor durante el proceso, del mismo modo pasa por
diferentes fases hasta legar a la pieza fundida.
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REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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procesos y sistemas.
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