unidad ii fundamentos de la fundición
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1 FUNDAMENTOS DE LA FUNDICION.
FUNDAMENTOS DE LA FUNDICIÓN.
El principio de fundición es simple: Se funde el metal, se vacía en un molde y se deja enfriar.
En el proceso de fundición el metal fluido fluye por gravedad u otra fuerza dentro de un molde donde se solidifica y toma forma de la cavidad del molde. El término fundición se aplica también a la parte resultante de este proceso.
Ventajas del proceso de fundición La fundición se puede usar para crear partes de compleja
geometría, incluyendo formas internas y externas. Algunos procesos de fundición pueden producir partes de
forma neta que no requieren operaciones subsecuentes para llenar los requisitos finales de la geometría y dimensiones de la parte.
Se puede usar la fundición para crear partes de hasta 100 toneladas.
El proceso de fundición puede realizarse en cualquier material (metal, polímero, cerámico) que pueda calentarse y pasar al estado líquido.
Algunos métodos de fundición son altamente adaptables a la producción en masa.
Desventajas del proceso de fundiciónLas desventajas asociadas con la fundición incluyen las limitaciones de algunos procesos en las propiedades mecánicas como:
Porosidad Baja precisión dimensional Acabado deficiente de la superficie Riesgos en la seguridad de los trabajadores Problemas ambientales.
El proceso de fundición
El molde contiene una cavidad cuya forma geométrica determina la forma de la parte a fundir. La cavidad debe diseñarse de forma y tamaño ligeramente sobredimensionado, esto permitirá la contracción del metal durante la solidificación y enfriamiento.
Fig. 2. Tipos de moldes para fundición. a) abierto y b) cerrado (más importante).
La cavidad del molde se forma mediante un modelo de madera, metal, plástico u otros materiales, que tiene la forma de la pieza final que se obtendrá en la fundición.
La cavidad del molde proporciona las superficies externas de la fundición; pero además puede tener superficies internas, que se definen por medio de un corazón, el cual es una forma colocada en el interior de la cavidad del molde para formar la geometría interior de la pieza.
Los procesos de fundición se dividen en tres categorías:
a) Moldes desechables Arena, yeso, cerámica, mezclados con aglutinantes o agua como agentes de unión. El molde es roto una vez solidificada.
b) Moldes permanentesMetales, conservan su propia geometría. La fundición se enfría a
mayor velocidad, afecta al tamaño de grano.
c) Moldes compuestosDos o mas materiales distintos, arena, grafito y metal. Se emplean
para mejorar la resistencia del molde, velocidad de enfriamiento y la economía general del proceso.
Proceso de fundición en moldes
desechables.
Ventajas. Limitaciones.
En arena.
Casi para cualquier metal, no existen
límites de tamaño, forma o peso, bajo
costo.
Se requiere un terminado final en las piezas, necesidad de amplias tolerancias.
Molde cáscara.
Buena confiabilidad dimensional y
terminado superficial, alta velocidad de
producción.
Tamaño limitado de piezas, modelos y
equipo requeridos de elevado costo.
Espuma perdida.
Aplicable para la mayoría de los metales sin límite de forma y
tamaño.
Los modelos tienen poca resistencia y
pueden ser costosos a una baja producción.
Cera perdida.
Formas muy complicadas,
excelente acabado superficial,
dimensionalidad confiable, aplicable
casi a cualquier metal.
Limitado tamaño de piezas, modelos, moldes y trabajo bastante caros.
Proceso de fundición en moldes permanentes.
Ventajas. Limitaciones.
Molde de concreto.
Formas complicadas, buena dimensionalidad y acabado,
baja porosidad.
Limitado a metales no ferrosos, forma de piezas
y volúmenes de producción limitados, tiempos largos para fabricar el molde.
Molde cerámico.
Formas complicadas, poca tolerancia y buen acabado
superficial.
Tamaño limitado.
Molde metálico.
Buen acabado superficial y dimensionalidad confiable,
baja porosidad, alta velocidad de producción.
Alto costo de los moldes, forma de las piezas muy
limitada, no aplicable para metales de altos
puntos de fusión.
A presión.
Excelente dimensionalidad y acabado superficial, alta velocidad de producción.
Alto costo de los dados, forma de las piezas muy limitada, generalmente
metales no ferrosos, largos tiempos de
proceso.
Colada centrífuga.
Partes cilíndricas grandes con buena calidad, alta
velocidad de producción.
Equipo muy caro, forma de piezas limitada.
SOLIDIFICACIÓN Y ENFRIAMIENTO DE METALES
La solidificación involucra el regreso del metal fundido al estado sólido. El proceso de solidificación difiere, dependiendo de si el metal es un elemento puro o una aleación.
Metal puro
Aleaciones
Metal fundido
Solidificación y enfriamiento de un metal puro
Temperatura de fusión para materiales puros
Estructura cristalina característica de un metal puro.
Pasos de la solidificación de metal puro en los moldes de fundición.
* Se forma una delgada película en las paredes del molde de granos pequeños.* Crece hacia el centro de la cavidad en forma de espinas, agrandándose y formando ramas (crecimiento dendrítico).
* Se forman granos mas grandes y alargados en dirección perpendicular a las paredes de enfriamiento (paredes del molde).
* Se forman granos columnares hacia el centro de la fundición.
Solidificación
a) Diagrama de fase para una aleación cobre-níquel y b) curva de enfriamiento asociada para una composición Ni-Cu 50-50% durante la
fundición.
Solidificación de una aleación
Estructura cristalina característica de fundición para una aleación.
Solidificación
Pasos de la solidificación de una aleación en los moldes de fundición.
* Se forma una delgada película en las paredes del molde de granos pequeños, cuya consistencia es mayor del elemento con mayor punto de fusión.
* Crece hacia el centro de la cavidad en forma de espinas, agrandándose y formando ramas (crecimiento dendrítico), proporción mayor del elemento de mayor punto de función.* Se solidifica el resto de la fundición hacia el interior, siendo la mayor parte del elemento con menor punto de fusión.
Calentamiento y vaciado del metal fundido
El metal se calienta a una temperatura ligeramente mayor a su punto de fusión y después se vacía a la cavidad del molde para que se solidifique.
CalentamientoEnergía calorífica requerida = calor para elevar la temperatura hasta el punto de fusión + calor de fusión para convertir el metal de solido a liquido + calor para elevar al metal fundido a la temperatura de vaciado.
𝐻=𝜌 𝑉 [ 𝐶𝑠 (𝑇 𝑚−𝑇0 )+𝐻 𝑓 +𝐶𝑡 (𝑇 𝑝−𝑇 𝑚) ]
Calentamiento y vaciado del metal fundido
El metal se calienta a una temperatura ligeramente mayor a su punto de fusión y después se vacía a la cavidad del molde para que se solidifique.
Vaciado
Teorema de Bernoulli Ley de continuidad
𝒗𝟐=√𝟐𝒈𝒉
Q=𝑣1 𝐴1=𝑣2 𝐴2
𝒕=𝒗𝒐𝒍𝒖𝒎𝒆𝒏
𝒈𝒂𝒔𝒕𝒐 =𝑽𝑸
PROCESO DE FUNDICIÓN EN MOLDES DESECHABLES
Fundición en arenaConsiste en vaciar un metal fundido en un molde de arena, dejarlo solidificar y romper después el molde para remover la fundición. Casi todas las aleaciones pueden fundirse en arena; de hecho, es uno de los pocos procesos que pueden usarse para metales con altas temperaturas de fusión, como son el acero, níquel y titanio.
PROCESO DE FUNDICION.
Secuencia del proceso de fundición en arena.
La fundición en arena requiere un patrón o modelo al tamaño natural de la parte, ligeramente agrandado, tomando en consideración la contracción y las tolerancias para el maquinado de la fundición final.
MODELOS (PATRONES).
Los materiales que se usan para hacer estos modelos incluyen la madera, plásticos y metales.
La madera es uno muy común, por la facilidad para trabajarla y moldearla (darle forma). Sus desventajas son la tendencia a la torsión y al desgaste por la abrasión de la arena que se compacta a su alrededor, lo cual limita el número de veces que puede usarse.
Los modelos de metal son más costosos pero duran más. Los plásticos resultan un término medio entre la madera y los
metales.
Materiales para modelos
a) Modelo sólido b) Modelo dividido c) Modelo con placa de acoplamiento d) Modelo de doble placa de acoplamiento
superior e inferior
Tipos de modelos.
TOLERANCIAS EN LOS MODELOS
Tolerancia para la contracción: Se debe tener en consideración que un material al enfriarse se contrae dependiendo del tipo de metal que se esté utilizando, por lo que los modelos deberán ser más grandes que las medidas finales que se esperan obtener.Tolerancia para la extracción: Cuando se tiene un modelo que se va a remover es necesario agrandar las superficies por las que se deslizará, al fabricar estas superficies se deben considerar en sus dimensiones la holgura por extracción.Tolerancia por acabado: Cuando una pieza es fabricada en necesario realizar algún trabajo de acabado o terminado de las superficies generadas, esto se logra puliendo o quitando algún material de las piezas producidas por lo que se debe considerar en el modelo esta rebaja de material.Tolerancia de distorsión: Cuando una pieza es de superficie irregular su enfriamiento también es irregular y por ello su contracción es irregular generando la distorsión de la pieza, estos efectos deberán ser tomados en consideración en el diseño de los modelos.Golpeteo: En algunas ocasiones se golpean los modelos para ser extraídos de los moldes, acción que genera la modificación de las dimensiones finales de las piezas obtenidas, estas pequeñas modificaciones deben ser tomadas en consideración en la fabricación de los modelos.
Un corazón es un modelo de tamaño natural de las superficies interiores del modelo. El corazón se inserta en la cavidad del molde antes del vaciado, para que al fluir el metal fundido, solidifique entre la cavidad del molde y del corazón, formando así las superficies internas y externas de la fundición. El corazón se hace generalmente de arena compactada. El tamaño real del corazón debe incluir las tolerancias para contracción y maquinado lo mismo que el patrón. El corazón puede o no contener soportes que lo mantengan en posición en la cavidad del molde durante el vaciado
CORAZONES
ARENAS PARA MOLDES
La arena de los moldes de fundición es de sílice (SiO2) o sílice mezclada con otros minerales. Esta arena debe tener buenas propiedades refractarias, expresadas como la capacidad de resistir altas temperaturas sin fundirse o degradarse. Otras características importantes son: el tamaño de grano, la distribución de tamaños de grano en la mezcla y la forma de los granos.
Granos pequeños. Buen acabado superficial.
Granos grandes. Buena permeabilidad.
Se usan varios indicadores para determinar la calidad de la arena para el molde:
1) Resistencia: soportar la erosión del fluido y mantener su forma, depende principalmente del tamaño de grano y de las cualidades adhesivas del aglutinante.
2) Permeabilidad: capacidad para permitir el flujo de gases, depende del tamaño y forma de los granos.
3) Estabilidad térmica: es la capacidad para resistir el agrietamiento y encorvamiento al contacto con el metal fundido.
4) Retractibilidad o colapsabilidad: capacidad del molde que permite que la fundición se contraiga sin agrietarse, también se relaciona con la capacidad de la arena de retirarse de la pieza en el proceso de limpieza.
5) Reutilización: grado de confiabilidad para su reuso.
Calidad de la arena.
El método tradicional para formar la cavidad del molde se compacta la arena de moldeo alrededor del modelo en la parte cope (superior) y en la parte drag (inferior) de un recipiente llamado caja de moldeo.
El proceso de empaque o compactado se realiza por varios métodos:
Apisonado manual. Por presión neumática. Por impresoras 3D.
Compactación de la arena en el molde
Tipos de moldes de arena.Los moldes de arena verde se hacen de una mezcla de 90% de Sílice (SiO2), 7% arcilla y 3%agua típicamente, el término verde se refiere al hecho de que el molde contiene humedad al momento del vaciado. Estos moldes son los menos costosos, tienen suficiente resistencia para la mayoría de las aplicaciones, buena retractibilidad, permeabilidad y reutilización. Son los más ampliamente usados. La humedad de la arena puede causar defectos en las fundiciones.
Ventajas y desventajas del moldeado en arena verdeVentajas Económico: es un proceso más barato que el resto. Resistencia a altas temperaturas. Posibilidad de obtención de piezas de hasta menos de 3mm de
grosor de acero. Posibilidad de utilización en gran cantidad de metales y aleaciones. Acabado uniforme y liso. No requiere de tolerancias especiales. Aproximadamente un 90% del material del molde es reciclable. Se trata de un proceso flexible con costos de materiales bajos. Piezas sin tensiones residuales.
Desventajas No se trata de un proceso recomendado para piezas de gran
tamaño. Las tolerancias que se obtienen suelen ser bastante grandes. No es el proceso más adecuado para la realización de piezas de
geometría compleja. Los acabados superficiales que se obtienen no son los mejores. Piezas con resistencia mecánica reducida.
Un molde de arena seca se fabrica con aglomerantes orgánicos en lugar de arcilla. El molde se cuece en una estufa grande a temperaturas entre 400-600 °F. El cocido refuerza el molde y endurece la cavidad. Proporciona un mejor control dimensional, sin embargo, es más costoso que el molde de arena verde y requiere de mayor tiempo de producción debido al secado. Sus aplicaciones se limitan generalmente a fundiciones de tamaño medio y grande, a velocidades de producción bajas.
Tipos de moldes de arena.
En molde de capa seca, la superficie de la cavidad de un molde de arena verde se seca a una profundidad entre 0.5 y 1 pulg., usando sopletes, lámparas de calentamiento u otros medios, aprovechando parcialmente las ventajas del molde de arena seca. Se pueden agregar materiales adhesivos a la mezcla para reforzar la superficie de la cavidad.
Tipos de moldes de arena.
Los tipos de moldes anteriormente mencionados requieren de un calentamiento para curar. Algunos materiales aglutinantes, utilizados en moldes que no requieren calentamiento incluyen las resinas furánicas (que consisten en alcohol furfural, urea y formaldehido), las fenólicas y los aceites alquídicos. La popularidad de los moldes que no requieren cocimiento está creciendo debido a su buen control dimensional en aplicaciones de alta producción.
MOLDEO EN METAL.El molde se utiliza muchas veces para procesos de altas velocidades de fundición. El molde metálico es construido en dos secciones que están diseñadas para cerrar y abrir con precisión y facilidad. Los moldes se hacen comúnmente de acero o hierro fundido. La cavidad junto con el sistema de vaciado se forman por maquinado en las dos mitades del molde a fin de lograr una alta precisión dimensional y un buen acabado superficial.
Los metales que se funden comúnmente en molde permanente metálicos son: aluminio, magnesio, aleaciones de cobre y hierro fundido. Sin embargo, el hierro fundido requiere una alta temperatura de vaciado, lo cual acorta significativamente la vida del molde. Las temperaturas más altas de vaciado para el acero, hacen inapropiado el uso de moldes de metal, se usan por lo general moldes permanentes refractarios o cerámicos.
En este proceso es posible usar corazones para formar las superficies interiores del producto de fundición. Los corazones pueden ser metálicos, pero su forma debe permitir la remoción de la fundición, o deben de ser mecánicamente desmontables para permitir esta operación. Si la remoción del corazón metálico es difícil o imposible se pueden usar corazones de arena, en este caso el proceso de fundición es frecuentemente llamado fundición en molde semipermanente.
Los moldes se precalientan y se rocía la cavidad con uno o más recubrimientos. El precalentamiento facilita el flujo de metal a través del sistema de vaciado y de la cavidad. Los recubrimientos ayudan a disipar el calor y a lubricar la superficie del molde para separar fácilmente la fundición.
Tan pronto como solidifica el metal, el molde se abre y se remueve la fundición. A diferencia de los moldes desechables, los moldes permanentes no se retraen, así que deben abrirse antes de que ocurra la contracción por enfriamiento a fin de prevenir el desarrollo de grietas en la fundición.
Debido al costo sustancial del molde, el proceso se adapta mejor a producciones de alto volumen que pueden automatizarse. Ejemplos de fundiciones son pistones automotrices, cuerpos de bombas y ciertas fundiciones para aviones y proyectiles.
Las ventajas en molde metálico incluyen buen acabado de superficies y control dimensional estrecho. Además, la solidificación más rápida causada por el molde metálico genera una estructura de grano más fino, de esta forma pueden producirse fundiciones más resistentes. El proceso está limitado generalmente a procesos con bajo punto de fusión. La manufactura de formas geométricas más simples que las fundidas en molde de arena (debido a la necesidad de abrir el molde) constituye otra limitación, además del costo.
PROCESOS ESPECIALES DE FUNDICIÓN. Moldeo en cáscara o concha (Shell Molding Process).
El moldeo en cáscara fue desarrollado en 1940 y ha crecido de manera significativa ya que se pueden producir muchos tipos de piezas con tolerancias dimensionales muy precisas, además de un muy buen acabado superficial y a bajo costo. En este proceso, un modelo montado en una placa y hecho de un metal ferroso o de aluminio, es calentado a temperaturas del orden de 175-370°C, recubierto con polvo de silicio como agente separador y es fijado a una caja o cámara. La caja contiene arena fina, mezclada con contenidos entre 2.5 y 4% de una resina termofraguante como agente ligante de las partículas de arena. La caja es entonces volteada de manera que la mezcla de arena recubra el modelo caliente, tal como se muestra en la secuencia de pasos de la Figura.
El ensamble es colocado entonces en un horno por un periodo de tiempo corto para completar el curado de la resina. En la mayoría de las máquinas para moldeo en cáscara el horno es una cámara de metal con quemadores de gas que inciden directamente sobre la cáscara para curarla. La cáscara se endurece alrededor del modelo, el cual es removido usando unos pernos eyectores. Las dos mitades del molde cáscara son unidas y perfectamente acopladas preparadas para la colada.
El espesor de la cáscara puede ser controlado mediante el tiempo en el que el modelo está en contacto con el molde. De esta manera, la cáscara puede ser formada con la resistencia y rigidez requeridas para retener el peso del metal líquido. Las cáscaras son ligeras y delgadas (de 5 a 10 milímetros de espesor) y consecuentemente sus características térmicas son diferentes a la de los moldes más gruesos.
Moldeo en cáscara o concha (Shell Molding Process).
La arena que forma la cáscara tiene mucha más baja permeabilidad que la arena utilizada para el moldeo en arena verde, debido al grano muy fino que se utiliza aquí. La descomposición de la resina ligante de la mezcla de arena también produce un alto volumen de gas, por lo que se podrían producir serios problemas al usar este método para colar aleaciones de hierro, a menos que se prevea de suficientes vientos para el escape de los gases.
Los moldes cáscara son colados generalmente con la línea de partición horizontal y pueden incluso estar soportados por arena. Las paredes del molde son relativamente lisas, ofreciendo baja resistencia al flujo del metal líquido, con lo cual se pueden producir en moldes de arena en verde. Con el uso de múltiples alimentadores, se pueden producir varias piezas en un mismo molde.
Moldeo en cáscara o concha (Shell Molding Process).
Moldeo a la espuma perdida.
Este proceso utiliza modelos de polyestireno, el cual se evapora al contacto con el metal fundido para formar la cavidad de la pieza. Este proceso se ha convertido en uno de los más utilizados en la actualidad para la fundición de aleaciones de fierro y también para aleaciones no ferrosas, particularmente para la fabricación de piezas utilizadas en la industria automotriz.
En este proceso las partículas de polyestireno que contienen de 5 a 8% de pentano (un hidrocarburo volátil), se colocan en un dado precalentado que generalmente está hecho de aluminio. El polyestireno se expande y toma la forma de la cavidad del dado o molde; se suministra calor adicional para ligar perfectamente las partículas expandidas. Posteriormente, el dado es enfriado y abierto para extraer el modelo de polyestireno. Los modelos complejos pueden ser formados de muchas partes que se fabrican por separado y después son unidas mediante un pegamento especial para formar el modelo.
El modelo es recubierto con un lodo refractario a base de agua, secado y colocado en una caja. La caja es llenada de una arena muy fina que rodea y soporta el modelo; esta arena puede estar suelta totalmente o puede adicionarse algunos ligantes para generar más compacidad y mayor resistencia si es necesario de acuerdo a las dimensiones de la pieza a colar. La arena es ligeramente compactada mediante procesos de vibración, entonces terminado el molde, la pieza es colada sin remover el modelo.
Moldeo a la espuma perdida.
El metal fundido al momento de tocar al modelo, inmediatamente lo vaporiza y llena la cavidad del molde reemplazando completamente el espacio previamente ocupado por el modelo de polyestireno. El calor degrada (despolymeriza) el polyestireno y los productos de la degradación son ventilados a través de la arena que lo rodea o mediante vientos estratégicamente colocados. La velocidad de flujo en el molde depende de la velocidad de degradación del polyestireno. La velocidad puede ser controlada al producir modelo con cavidades o huecos; en estas condiciones, la velocidad del fluido aumentará en estas regiones. Ventajas del proceso:
•El proceso es relativamente simple porque no hay una línea de partición, corazones, mazarotas, por lo que se tiene mucha flexibilidad.•Para el proceso se ocupan cajas de moldeo sencillas y baratas.•El polyestireno es barato y puede ser fácilmente procesado para formar modelos de formas complicadas, varios tamaños y detalles superficiales finos.•La fundición requiere de un mínimo de acabado y operaciones de limpieza.•El proceso puede ser automatizado y es económico para altos niveles de producción. Uno de los factores más costosos es la fabricación del dado utilizado para la fabricación del modelo.
Colada en moldes de concreto.
En este proceso el molde es hecho de un cemento de sulfato de calcio con adiciones del talco y fluoruro de sílice para mejorar la resistencia y controlar el tiempo requerido por el cemento para secar. Estos compuestos son mezclados con agua y la mezcla resultante en forma viscosa en vaciada sobre el modelo. Después que la mezcla seca, usualmente después de unos 15 minutos el modelo es retirado del molde el cual es secado a temperaturas entre 120 y 260°C para eliminar completamente la humedad. Dependiendo del tipo de cemento es la temperatura de secado. Las mitades del molde son ensambladas para formar la cavidad del molde y son precalentadas a unos 120°C para vaciar el metal fundido en el molde.
Debido a que el molde de concreto tiene muy poca permeabilidad, los grases producidos durante la solidificación del metal no pueden escapar. Consecuentemente, el metal fundido es colado en vacío o bajo presión. La permeabilidad del molde puede ser incrementada sustancialmente si el molde es deshidratado en un horno presurizado por un periodo de unas pocas horas.
Otro método para incrementar la permeabilidad es el uso de cementos espumosos, que contienen burbujas de aire atrapadas. Los modelos para este proceso por lo general son hechos de aluminio, plásticos termoendurecidos, bronce o aleaciones de zinc. La madera no es recomendable para su uso en la preparación de modelos, debido a su capacidad a deformarse debido a la absorción del agua contenida en el concreto.
El límite de temperatura que el molde de concreto soporta es de unos 1200°C, así que este proceso es utilizado solo para la producción de piezas de aleaciones de aluminio, magnesio, zinc, algunas aleaciones de cobre.
Las piezas producidas contienen detalles finos y buen acabado superficial. Como el cemento tiene baja conductividad térmica, la pieza se solidifica muy lentamente y se obtiene una estructura de grano más uniforme. Se pueden producir secciones muy delgadas de aproximadamente un milímetro de espesor. Piezas de reloj y válvulas, engranes, herramientas finas, son realizadas mediante este proceso. La mayoría de las fundiciones andan alrededor de 25 a 250gr., aunque se han fabricado partes de hasta 1 gr.
Colada en moldes cerámicos (ceramic-mold casting).
Este proceso es similar al de colada en moldes de concreto, con la excepción de que este usa materiales refractarios para el molde que son apropiados para usos a muy alta temperatura. La mezcla se moldeo se realiza de silicato de circonio de grano muy fino, óxido de aluminio sílice; los cuales son mezclado con agentes ligantes y vaciados sobre el modelo que se ha colocado previamente en una caja.
El modelo puede estar hecho de madera o metal. Después que el modelo ha endurecido, es removido, secado , quemado para eliminar cualquier materia volátil y posteriormente es horneado para sintetizar. Es posible que el molde tenga que ser hecho en muchas partes, de acuerdo a la complejidad de la pieza. Una vez terminadas todas las partes, el molde es firmemente ensamblado.
La resistencia a altas temperaturas del material cerámico, hace a estos moldes muy apropiados para la fundición de aleaciones ferrosas y otras aleaciones de alta temperatura como aceros inoxidables y aceros para herramientas.
Las piezas tienen una dimensionalidad muy confiable, un excelente acabado superficial y se pueden colar piezas demasiado complejas y de muy diferentes secciones sin ningún problema, pero el proceso es relativamente caro. Las partes típicas fabricadas mediante este proceso son: moldes para el procesamiento de plásticos, dados para el trabajado de metales a altas temperaturas y algunas herramientas de corte. Se pueden colar piezas de hasta 700kg.
Moldeo a la cera perdida (lost-wax process).
El modelo es hecho en cera por medio de técnicas de modelado rápidas. El modelo se fabrica al inyectar cera fundida en un molde metálico, en ocasiones se utiliza plástico. Posteriormente se extrae el modelo de cera sólido y se sumerge en una mezcla líquida de material refractario, tal como sílice muy fina y algunos ligantes, además de agua, silicato etílico y algunos ácidos. Se sumerge una vez y después que el primer recubrimiento ha secado, se sigue sumergiendo las veces necesarias para incrementar el espesor del recubrimiento.
Los modelos de cera requieren de un cuidado muy especial ya que su resistencia es muy baja, así que deben manipularse cuidadosamente. La cera puede reutilizarse muchas veces, a diferencia del plástico que no es reutilizable. Los moldes de una sola pieza son secados al aire y calentados a temperaturas entre 90 y 175°C. Se mantienen invertidos por espacio de unas 12 horas para que se funda la cera. Entonces el molde es quemado a una temperatura entre 650 y 1050°C por unas 4 horas dependiendo del metal a ser colado, para eliminar totalmente residuos de cera y agua combinada químicamente en el molde. Es posible unir muchos modelos en un arreglo llamado árbol aumentando de esta manera la productividad.
Aunque el trabajo y los materiales usados en este proceso son costosos, es apropiado para aleaciones de alto punto de fusión con muy buen acabado superficial tolerancias dimensionales muy restringidas. Por lo tanto, no se requieren prácticamente operaciones de acabado.
Este proceso es capaz de producir piezas de formas muy complicadas y piezas pesando desde 1gr. hasta 35kg. Hechas de una variedad de aleaciones ferrosas y no ferrosas. Piezas resultado de este proceso son componentes para equipo de oficina y componentes mecánicos como válvulas.
Colada en dados (Die casting).
El metal fundido es forzado a entrar en una cavidad a presión que oscila entre 0.7 y 700MPa. Las partes típicas que se fabrican con este proceso incluyen partes de motor, de juguetes y herramientas de mano. El peso de la mayoría de las piezas está en el rango de 90gr. a 25kg.
El proceso necesita de una máquina, la cual puede ser de cámara caliente o de cámara fría.
Proceso de cámara caliente.
Este proceso involucra el uso de un pistón que atrapa un cierto volumen de metal líquido y lo forza a entrar en la cavidad de los dados a través de un orificio. Las presiones oscilan en los 15 y 35MPa. El metal es mantenido a presión hasta que solidifica en el dado.
Para mejorar el tiempo de vida y ayudar a una solidificación más rápida, los dados son enfriados por agua circulante en su interior a través de varios pasajes. Los tiempos de ciclo usualmente están en el rango de 200 a 200 inyecciones de metal por hora, aunque cuando los componentes son muy pequeños como los dientes de un cierre, se pueden colar hasta 18000 inyecciones por hora.
Este proceso es apropiado para colar aleaciones de bajo punto de fusión como zinc, magnesio, estaño y plomo.
Proceso de cámara fría.
En este proceso el metal es vaciado en un cilindro por medio de una cavidad superior. Este cilindro o cámara no está caliente, de ahí el nombre de cámara fría. El metal es forzado a entrar en la cavidad del dado a una presión de 20 a 70MPa, aunque en ocasiones llega a ser de 150MPa. Las máquinas pueden ser horizontales o verticales, en las cuales la cámara de inyección es vertical y la máquina es similar a la de presión vertical.
Este proceso es generalmente para colar aleaciones con mayor punto de fusión que en el proceso de cámara caliente, tales como aluminio, magnesio y cobre; aunque algunos otros metales pueden ser colados también por este proceso (incluyendo aleaciones ferrosas). Las temperaturas utilizadas son desde 600°C para aleaciones de aluminio hasta por encima de 1000°C para aleaciones de cobre.
Colada a presión (Pressure casting).
En el proceso de colada en dados mencionado anteriormente, el metal es forzado a entrar a cierta presión a la cavidad del molde mediante la ayudad de un sistema mecánico. En este proceso, también llamado colada a baja presión, el metal líquido es forzado a penetrar la cavidad de un molde metálico o de grafito en la dirección vertical ascendente por medio de la presión de un gas. La presión es mantenida hasta que el metal es solidificado completamente en el molde.
El material puede ser forzado a entrar también por un vacío que se crea en el interior del molde; este último proceso al mismo tiempo elimina cualquier generación de gases y produce piezas de mayor calidad. La colada a presión generalmente es utilizada para la fabricación de piezas de mucha calidad.
Colada centrífuga (Centrifugal casting).
Este proceso utiliza las fuerzas de inercia causadas por rotación para distribuir el metal en las cavidades del molde. Hay tres tipos de colada centrífuga: colada verdaderamente centrífuga, colada semi-centrífuga y centrifugación.
Colada verdaderamente centrífuga.
Por medio de este proceso se fabrican partes cilíndricas como tubos, postes, cañones, etc. En esta técnica el metal líquido es vaciado a un molde giratorio, el eje de rotación es generalmente horizontal pero puede ser vertical para piezas pequeñas y ligeras. Los moldes son hechos de acero, hierro o grafito y pueden estar recubiertos por algún material refractario para incrementar el periodo de vida.
Las superficies de los molde pueden ser adaptadas de manera que el tubo a fabricar pueda tener la forma externa necesaria, incluyendo formas cuadradas o poligonales. La superficie interior de la pieza permanece cilíndrica porque el metal fundido es distribuido uniformemente por las fuerzas centrífugas.
Sin embargo, debido a diferencia de densidades, las impurezas tienden a colectarse en la superficie interior de la pieza.
Las partes que se fabrican van de 13mm a 3m de diámetro y hasta 16m de longitud; Con espesores de 6 a 125mm. La presión generada por las fuerzas centrífugas es tan alta que es suficiente para solidificar paredes gruesas. Mediante este procese se obtienen piezas de buena calidad, de dimensiones my precisas y detalles superficiales adecuados.
Colada verdaderamente centrífuga.
Semi-centrífuga.En este método se usa la fuerza centrífuga para producir fundiciones sólidas en lugar de partes tubulares, como se muestra en la Figura 26. La velocidad de rotación se ajusta para un factor-G alrededor de 15, y los moldes se diseñan con mazarotas que alimentan metal fundido desde el centro. La densidad del metal en la fundición final es más grande en la sección externa que en el centro de rotación. El proceso se usa frecuentemente para producir fundiciones en las que se elimina el centro mediante maquinado, excluyendo así la porción de más baja calidad. Los volantes y las poleas generalmente se realizan mediante este proceso. Se usan frecuentemente moldes consumibles o desechables en la fundición semi-centrífuga.
Centrifugación.
En este proceso, el molde se diseña con cavidades parciales localizadas lejos del eje de rotación, de manera que la fuerza centrífuga distribuya la colada del metal entre estas cavidades. El proceso de usa para partes pequeñas, la simetría radial de la parte no es un requerimiento como los otros dos métodos de fundición centrífuga.
EQUIPOS PRINCIPALES DE FUNDICIÓN. La selección del tipo más apropiado de horno depende de factores tales como la aleación de fundición, su temperatura de fusión y de vaciado, la capacidad necesaria del horno, los costos de inversión, operación y mantenimiento, así como los aspectos relativos a la contaminación ambiental.
Alto horno. (cubilote, cupola melting).Este dispositivo de fundición ya no es tan común como solía serlo, debido a la gran contaminación que se emite durante el proceso de fundición. Combustible (coque) y metal a ser fundido se encuentran en contacto directo. La columna se encuentra hecha de un material refractario y cubierta de metal, el coque (generalmente con adiciones de calcita, limestone, para su mejor combustión) y el metal a fundir son vertidos en el interior. Algunos minerales son incluidos en las aleaciones a fundir.
Unas toberas bombean aire a altas presiones desde la parte inferior hasta la superficie. Las capas de coque inferiores son incendiadas previamente. El calor proveniente del coque incendiado funde al metal (o aleación), el cual fluye al fondo del horno y se extrae mediante compuertas de apertura y cierre, generalmente se llama arrabio.
La escoria se extrae del horno por un orificio ubicado por encima de la salida del metal fundido, antes de extraerse esta escoria tiene la función de aislar al metal líquido con el aire atmosférico del horno. Cuando la carga de mineral es fundida y el coque es consumido, el calor sube o se transfiere desde la parte inferior. Las capas siguientes al metal fundido se precalientan debido al paso de los gases calientes emitidos por la ignición del coque. Mas metal, coque y calcita pueden ser añadidas por las puertas de carga generalmente llamadas campanas, ubicadas en la parte superior del horno para continuar con el proceso de fundición. El metal fundido absorbe carbón proveniente del coque, así que, los altos hornos son generalmente restringidos para aleaciones finales de hierro dúctil y maleable (para estas aleaciones se prefiere el uso de arcos eléctricos).
Hornos de crisol (crucible melting).
En estos hornos se funde el metal, sin entrar en contacto directo con los gases de la combustión. Por esta razón se llama algunas veces hornos calentados indirectamente. Utilizan un recipiente (crisol) hecho de un material refractario apropiado (mezcla de arcilla y grafito) o acero aleado de alta temperatura para contener la carga. Hay tres tipos de hornos de crisol: a) móvil, b) estacionario o fijo y c) basculante o inclinable, Figura 29.
En el horno de crisol móvil, el crisol se coloca en un horno que usa aceite, gas o carbón pulverizado para fundir la carga metálica. Cuando el metal se funde el crisol se levanta del horno y se usa como cuchara de colada (transportador). Los otros dos tipos llamados algunas veces hornos de crisol pot furnace con quemador integrado tienen un horno de calentamiento y un recipiente integrados.
En el horno de crisol estacionario con quemador integrado (stationary pot furnace), el horno es estacionario y el metal fundido se cucharea fuera del recipiente. En el horno de crisol basculante con quemador integrado (tilting-pot furnace), el dispositivo entero se puede inclinar para vaciar la carga. Los hornos de crisol se usan por lo general para metales no ferrosos como el bronce, latón, aleaciones de aluminio y zinc. Su capacidad es limitada.
Hornos de arco eléctrico (Electric Arc Melting).En este tipo de horno, la carga se funde por el calor generado con un arco eléctrico similar al usado para soldadura pero más largo y poderoso. Se dispone de varias configuraciones con dos o tres electrodos, Figura 30.
Existen dos métodos dentro del horno de arco eléctrico: método directo y método indirecto. En el método de arco directo, hay dos arcos, uno entre el metal y un electrodo y el segundo entre el metal y el otro electrodo. En el método de arco indirecto, el arco eléctrico se extiende de un electrodo al otro y el calor es transferido al metal mediante radiación. Por lo general el material de los electrodos es carbón.
Para aleaciones de altas temperaturas de fusión el electrodo puede ser hecho del mismo material de la fundición, fundiéndose con esta. Este tipo de proceso se conoce como fundición de arco consumible. El control ambiental es bueno en el horno de arco eléctrico. El consumo de potencia el alto, pero los hornos de arco eléctrico pueden diseñarse para altas capacidades de fusión (25 a 50 Ton/hr) y se usan principalmente para fundición de acero.
Horno Básico de Oxígeno (BOF).
Se usa principalmente para la fundición de acero (cerca del 70% de la fundición de acero de EU). El contenido de carbono en la olla disminuye casi linealmente durante el tiempo de proceso, esto permite un buen control predecible sobre los niveles de carbón en el acero. El proceso es ilustrado en la Figura 31.
Hornos de inducción (induction melting).Un horno de inducción usa una corriente alterna a través de una bobina que genera un campo magnético en el metal, el resultado de la corriente inducida causa un rápido calentamiento y la fusión del metal, Figura 32. El campo de fuerza electromagnética provoca una acción de mezclado en el metal líquido. Se utiliza para fundiciones de alta calidad y pureza, debido a que el metal no está en contacto directo con ningún elemento de calefacción.
Horno de corazón abierto (Open hearth melting).Se utiliza para la producción de aleaciones de hierro y aceros. El metal en el horno es calentado por una flama que pasa por encima de la carga. La flama proviene de la combustión de gas, petróleo, etc. El bajo techo del horno refleja el calor hacia abajo hacia el metal. El combustible y el aire son alimentados desde un lado de la cámara central en donde se crea la flama y se genera el calor. La cámara del otro extremo se calienta debido al movimiento de los gases de la combustión. El área de la fundición es grande y la profundidad pequeña, teniendo con esto una mayor área de exposición del metal a fundir. Oxígeno puro puede agregarse en la combustión para elevar la temperatura del horno, reduciendo el tiempo de fundición consecuentemente. El metal líquido es retirado por gravedad a través de un orificio de drenado.
Transportadores (pouring ladles).
Se encargan de transportar la fundición recién salida del horno hasta los moldes de colada. En algunos procesos de fundición mecanizados, no se necesitan transportadores, los moldes se mueven a través de mecanismos hasta el horno.
Transportadores (pouring ladles).
PRINCIPALES DEFECTOS.Hay numerosas contingencias que causan dificultades en una operación de fundición y originan defectos de calidad en el producto. Existen defectos comunes en todos los procesos de fundición, Figura 36.
A) Llenado incompleto: Este defecto cuando una fundición solidifica antes de completar el llenado de la cavidad del molde. Las causas típicas incluyen: fluidez insuficiente del metal fluido, muy baja temperatura de vaciado, vaciado que se realiza muy lentamente y/o sección transversal de las cavidades del molde muy delgadas.
B) Junta fría: Una junta fría aparece cuando dos porciones del metal fluyen al mismo tiempo, pero hay una falta de fusión entre ellas debido a la solidificación o enfriamiento prematuro. Sus causas son similares a las del llenado incompleto.
C) Metal granoso o gránulos fríos: Las salpicaduras durante el vaciado hacen que se formen glóbulos de metal que quedan atrapados en la fundición. Un buen diseño del sistema de alimentación y bebederos y de los procedimientos de colada que eviten las salpicaduras pueden prevenir este defecto.
D) Cavidad por contracción: Este defecto es una depresión de la superficie o un hueco interno en la fundición debido a la contracción por solidificación que restringe la cantidad de metal fundido disponible en la última región que solidifica. Ocurre frecuentemente cerca de la parte superior de la fundición, en cuyo caso se llama rechupe o rechupete. El problema se puede resolver frecuentemente por un diseño apropiado de la mazarota.
E) Microporosidad: Se refiere a una red de pequeños huecos distribuida a través de la fundición debida a la contracción por solidificación del último metal fundido en la estructura dendrítica. El defecto se asocia generalmente con las aleaciones, debido a la forma prolongada en que ocurre la solidificación en estos metales.
F) Desgarramiento caliente: Este defecto, también llamado agrietamiento caliente, ocurre cuando un molde, que no cede durante las etapas finales de la solidificación o en las etapas primeras de enfriamiento, restringe la contracción de la fundición después de la solidificación. Este defecto se manifiesta como una separación del metal (de aquí el término desgarramiento o agrietamiento) en un punto en donde existe una alta concentración de esfuerzos, causado por la indisponibilidad del metal para contraerse naturalmente.
Algunos defectos se relacionan con el uso de moldes de arena y, por tanto, ocurren solamente en la fundición en arena. Aunque en menor grado, los otros procesos de molde desechable son también susceptibles a estos problemas. En la Figura 37 se muestran algunos de los principales defectos que ocurren en la fundición en arena.
A) Sopladuras: Este defecto es una cavidad de gas en forma de pelota causada por un escape de gases del molde durante el vaciado. Ocurre en la superficie de la parte superior de la fundición o cerca de ella. La baja permeabilidad, pobre ventilación y el alto contenido de humedad en la arena del molde son las causas generales.
B) Puntos de alfiler: Es un defecto similar al de las sopladuras que involucra la formación de numerosas cavidades pequeñas de gas en la superficie de la fundición o ligeramente por debajo de ella.
C) Caídas de arena: Este defecto provoca una irregularidad en la superficie de la fundición, que resulta de la erosión del molde de arena durante el vaciado. El contorno de la erosión se imprime en la superficie de la fundición final.
D) Costras: Son áreas rugosas en la superficie de la fundición debidas a la incrustación de arena y metal. Son causadas por desprendimientos de la superficie del molde que se descascaran durante la solidificación y quedan adheridas a la superficie de la fundición.
E) Penetración: Cuando la fluidez del metal líquido es muy alta, este puede penetrar en el molde o en el corazón de arena. Después de la solidificación, la superficie de la fundición presenta una mezcla de granos de arena y metal. Una mejor compactación del molde de arena ayuda a evitar esta condición.
F) Corrimiento del molde: Se manifiesta como un escalón en el plano de separación del producto fundido, causado por el desplazamiento lateral del semimolde superior con respecto al inferior.
G) Corrimiento del corazón: Un movimiento similar puede suceder con el corazón pero el desplazamiento es generalmente vertical. El corrimiento del corazón y del molde son causados por la flotación del metal fundido.
H) Molde agrietado: Si la resistencia del molde es insuficiente, se puede desarrollar una grieta en la que el metal líquido puede entrar para formar una aleta en la fundición final.
Consideraciones para el diseño de productos.
Si el diseñador de productos selecciona la fundición como el proceso principal de manufactura para un componente particular, serán necesarios ciertos lineamientos que faciliten la producción y eviten muchos defectos que conlleva la fundición. A continuación se presentan algunos lineamientos y consideraciones importantes para el diseño de fundiciones. Simplicidad geométrica.
Aunque la fundición es un proceso que puede usarse para producir formas complejas, la simplificación del diseño propiciará una fundición fácil y eficiente. Al evitar complejidades innecesarias se simplifica la hechura del molde, se reduce la necesidad de utilizar corazones y se mejora la resistencia de la fundición.
Esquinas.
Deben evitarse esquinas y ángulos agudos, ya que son fuente de concentración de esfuerzos y pueden causar desgarramientos calientes y grietas en la fundición. Es necesario redondear los ángulos en las esquinas interiores y suavizar los bordes agudos.
Espesores de sección.
Los espesores de sección deben ser uniformes a fin de prevenir bolsas de contracción. Las secciones más gruesas crean puntos calientes en la fundición, debido a un mayor volumen que requiere más tiempo para solidificar y enfriar. Éstos son lugares posibles donde se pueden formar bolsas de contracción, Figura 38.
Ahusamiento.
Las secciones de la pieza que se proyectan dentro del molde deben tener un ahusamiento o ángulos de salida, Figura 39. El propósito de este ahusamiento en los moldes consumibles o desechables es facilitar la remoción del modelo del molde. En la fundición con molde permanente el objetivo es ayudar a remover la fundición del molde. Si se usan corazones sólidos, estos deben dotarse con ahusamientos similares en los procesos de fundición. El ahusamiento requerido necesita ser solamente de 1° para fundición en arena y de 2° a 3° para procesos con molde permanente.Uso de corazones.
Puede reducirse la necesidad de usar corazones con cambios menores en el diseño de la pieza, Figura 39.
Tolerancias dimensionales y acabado superficial.
Se pueden lograr diferencias significativas en la precisión dimensional y en los acabados de la fundición, dependiendo del proceso que se use. La Tabla 3 muestra una recopilación de valores típicos para estos parámetros.
Tolerancias de maquinado.
Las tolerancias que se especifican en muchos procesos de fundición son insuficientes para cumplir las necesidades funcionales de muchas aplicaciones. La fundición en arena es el ejemplo más característico de esta necesidad. En este caso, deben maquinarse porciones de la fundición a las dimensiones requeridas. Casi todas las fundiciones en arena deben maquinarse total o parcialmente a fin de darles funcionalidad. Por consiguiente, debe dejarse en la fundición material adicional, llamado tolerancia de maquinado para facilitar dicha operación. Las tolerancias típicas de maquinado para fundiciones de arena fluctúan entre 1/16 y 1/4 de pulgada.
MECANIZACIÓN DE LA FUNDICIÓN.
Moldeo.
Proceso de colada continua.
MECANIZACIÓN DE LA FUNDICIÓN
NORMAS DE SEGURIDAD Y EQUIPOS DE PROTECCIÓN.
Protección ambiental.
Los hornos desprenden muchos gases y partículas contaminantes a la atmósfera debido a la fundición de los metales y/o minerales, es por tal motivo que las normas en cuanto a la protección ambiental se actualizan constantemente, para evitar contingencias en las ciudades y zonas aledañas a la fundidora.
PARQUE FUNDIDORA
Emisiones gaseosas a la atmósfera.
Polvos y partículas suspendidas.Óxidos de azufre, óxidos nitrosos.Monóxido de carbono.Cloruros y fluoruros.Compuestos orgánicos volátiles.Entre otros.
Residuos sólidos.
Arenas residuales.Escorias.Lodos.
Aguas residuales.
Ruido.
Seguridad en la fundidora.
Riesgos físicos. Radiación.Riesgos para el aparato respiratorio.Ruido.Riesgos de electrocución.Incendios y explosiones.
Se debe tener en cuenta:
El polvo de arena y otros compuestos utilizados en los moldes. Es necesario por lo anterior tener una buena ventilación y equipo de seguridad para el personal.
Los humos del metal fundido, así como las salpicaduras del metal fundido durante la transferencia y el vaciado en los moldes. La presencia de combustible para hornos, el control de su presión y temperatura; la operación correcta de válvulas y equipos.
La presencia de agua y humedad en crisoles, moldes y otros sitios de la planta, ya que rápidamente se transforma en vapores creando severos problemas por quemaduras.
Inspección de crisoles, herramientas, trasportadores y otros equipos en busca de desgaste, grietas, etc.La necesidad de un adecuado equipo de seguridad.
Seguir las NORMAS (NOM, ISO, ASME, etc) para cada proceso o fundición.NMX-B-ISO 9000ISO 14000
Se debe tener en cuenta:
Seguridad personal inapropiada en la colada.
Seguridad personal
apropiada.