PRACTICA Nº 1 FUNDICION

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1 UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL DEL TÁCHIRA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA NÚCLEO DE MATERIALES Y PROCESOS LABORATORIO DE PROCESOS DE MANUFACTURA I PRACTICA Nº 1 FUNDICION Abril, 2009 Autores: J. Uzcátegui, A. Uribe, J. Fuentes

2 1. Generalidades Un metal fundido tiene el mismo comportamiento que un líquido y, por tanto, se adapta bien a la cavidad del molde que lo contiene. Empleando moldes de formas diversas, vertiendo metal líquido y, luego, enfriando el metal se obtienen piezas por el proceso de fundición. Esta práctica se centra en aspectos básicos de la fundición en arena, que es el método tradicional. A continuación se describen algunos aspectos relacionados con la práctica de fundición en arena: 1.1 Modelos Los modelos se utilizan para producir la cavidad del molde de arena, que dará origen a la forma de la pieza a fabricar. Pueden estar hechos de madera, plástico o metal. La selección del material, o combinación de materiales, del modelo depende de varios factores, como: Tamaño y forma de la pieza a fabricar, precisión dimensional, cantidad de coladas requeridas, el proceso de moldeo y otros. El diseño del modelo es un aspecto vital de la práctica de fundición. El diseño debe prever la contracción del metal, la facilidad de extracción del molde de arena mediante ángulos de salida y un flujo adecuado del metal líquido en la cavidad del molde. El modelo más simple sería de una sola pieza, que también se conoce como patrón suelto. Se utiliza generalmente para formas simples y producción de bajo volumen y, normalmente, se hace de madera y es poco costoso. Los modelos divididos son de dos partes, fabricados de manera que cada parte forme una porción de la cavidad del molde; de esta manera se pueden obtener piezas de formas complejas. Para una mayor producción de piezas pequeñas se emplean modelos de placa bipartidos, en los que cada mitad del modelo se sujeta a cada lado opuesto de una misma placa, o en placas separadas. Incrementos en producción son posibles si se emplean placas de modelos de piezas múltiples. Un desarrollo reciente es la aplicación del prototipado rápido para la fabricación de modelos. Empleando máquinas de prototipado rápido se puede fabricar un modelo en un tiempo menor y a un costo más bajo que un modelo normal. 1.2 Arenas

3 La arena más usada es la de sílice (SiO 2 ), ya que, es económica y adecuada para temperaturas de fundición elevadas. En la selección de la arena para el molde un factor importante es el tamaño de grano. La arena de granos finos permite obtener cavidades de superficies suaves. Ella se puede compactar en gran porcentaje, aumentando la resistencia del molde, pero, reduce la permeabilidad del molde. Moldes y núcleos con buena permeabilidad permiten la fácil salida de gases y vapores que se producen durante la colada del fundido. También, la arena debe tener buena colapsabilidad. Esto es, permitir que el material fundido se contraiga al enfriarse a fin de evitar defectos como grietas en caliente. Para propósitos especiales se utilizan arenas de zirconio (ZrSiO 4 ), olivino (Mg 2 SiO 4 ) y silicato de hierro (Fe 2 SiO 4 ), debido a su baja dilatación térmica. La cromita (FeCr 2 O 4 ) también se utiliza debido a sus elevadas características de transferencia térmica. Antes de su uso la arena, normalmente, se mezcla con bentonita (arcilla), que es un aglutinante. Y, suelen emplearse máquinas de mezclar para integrar uniforme y completamente la arena con los aditivos. 1.3 Tipos de moldes de arena Existen tres tipos básicos de moldes de arena: arena verde, caja fría y moldes no cocidos. (i) El molde de arena verde es el más común y económico, y es una mezcla de arena, arcilla y agua. El término verde se refiere al hecho de que la arena está húmeda al verterse el metal líquido al interior del molde. Una variante es el molde de arena verde de película seca. En éste las superficies internas del molde se secan, ya sea al aire o con soplete. Así, el molde es más resistente y se utiliza en piezas grandes. Otra variante es el molde de arena parcialmente seco. En este caso, el molde se seca en un horno antes de verter el metal fundido; son más resistentes que los moldes de arena verde y le dan mejor precisión dimensional y acabado superficial a la pieza obtenida. Sin embargo, este método tiene algunos inconvenientes: La distorsión del molde es mayor, las piezas tienen mayor tendencia a sufrir grietas en caliente debido a la menor colapsabilidad del molde y la producción en serie es más lenta debido al tiempo de secado. (ii) El molde de arena de caja fría resulta de adicionar aglutinantes orgánicos e inorgánicos a la arena para unir químicamente sus granos. Estos moldes son más

4 resistentes y dimensionalmente más precisos que los moldes de arena verde, pero son más costosos. (iii) El molde de arena no cocida se obtiene mezclando una resina sintética líquida con la arena, que endurece a la temperatura ambiente. A continuación se indican los componentes de los moldes de arena, Fig. 1 y Fig. 2: i. El molde mismo, que está soportado por una caja de moldeo. Los moldes de dos piezas están formados por moldes superior e inferior. La unión entre ambos es la línea de partición. ii. Copa de vaciado o vertedero, en el cual se vierte el metal fundido. iii. Un bebedero, a través del cual el metal fundido fluye hacia abajo. iv. Mazarotas, que suministran metal líquido adicional a la pieza conforme ésta se contrae durante la solidificación. La Fig. 1 muestra dos tipos diferentes de mazarotas, una mazarota ciega y una mazarota abierta (rebozadero). v. El sistema de alimentadores, que son canales que llevan el metal colado desde la mazarota a la cavidad del molde. Los ataques son las entradas a la cavidad del molde. vi. Núcleos o machos, que son insertos hechos de arena. Se colocan en el molde para definir superficies internas de la pieza a producir. Los machos también se utilizan en la parte exterior de la pieza para formar características, como letras sobre la superficie de la pieza o barrenos ciegos profundos. vii. Respiraderos, que se colocan en los moldes para extraer los gases producidos cuando el metal fundido entra en contacto con la arena del molde y del macho. También dejan salir el aire de la cavidad del molde conforme el metal fundido fluye dentro del mismo. 1.4 Núcleos o machos Para piezas con cavidades internas, como las que se encuentran en un monoblock o en un cuerpo de válvulas automotrices, se utilizan machos. Estos se colocan en la cavidad del molde antes de la colada para formar las superficies interiores de la pieza a producir y se extraen de la misma durante la limpieza. Al igual que los moldes, los machos se fabrican de arena aditivada y deben tener resistencia, permeabilidad, capacidad de resistir al calor y colapsabilidad. Los machos se fabrican en cajas de madera, apisonando arena.

5 El macho se fija al molde mediante plantillas. Éstas se generan por recesos que se agregan al modelo para soportar al macho y proporcionar ventilaciones para el escape de los gases. Un problema común es cuando el macho carece de suficiente soporte estructural en la cavidad del molde. Para impedir que el macho se mueva dentro del molde se utilizan soportes para anclarlo en su sitio. Fig. 1. Esquema de un molde de arena, en el se muestran sus partes. Fig. 2. Ejemplo de la cavidad de un molde reproducida por el metal solidificado. 1.5 Defectos que se pueden presentar en el proceso de fundición:

6 a. Inclusiones: Las escorias y los óxidos metálicos no se han eliminado antes de efectuar la colada. El canal de colada no se ha mantenido lleno durante la colada. b. Rechupes: Cavidades en la pieza por falta de alimentación. c. Poros: El material fundido no se ha solidificado uniformemente. La solidificación se produce de fuera hacia adentro. En los lugares más gruesos de la pieza se forma así un hueco al que se le denomina poro. Para evitarlo, es conveniente que las piezas fundidas tengan un espesor uniforme de pared. d. Grietas: Los cambios de sección se han hecho muy cortos, por lo que la solidificación de las zonas gruesas del material se efectúa con demasiada lentitud. Para evitar esto, se utilizan unos pedazos de hierro (enfriadores) para acelerar el proceso de enfriamiento. e. Gases: La arena de moldear húmeda desprende hidrógeno y oxígeno a la temperatura de colada y estos gases quedan atrapados en la estructura de la pieza. Para evitarlo se realizan pequeños conductos de ventilación. f. Desigualdad en el espesor de las paredes: El desplazamiento de los machos puede conducir a espesores de pared desiguales. g. Zonas de fundición irregular: Si el molde no ha compactado lo suficiente cede bajo la presión del material fundido. 2. Objetivos: Conocer los procesos de moldeo con arena verde y colada. Realizar cálculos de cargadores y contracción térmica de una pieza. Realizar los procesos de moldeo en arena verde y de colada para un modelo dado. 3. Materiales y equipos Modelos de madera, cajas de moldeo, apisonadores, espátulas, horno de fundición, arenas, chatarra de aluminio. 4. Procedimiento experimental Se realizará la preparación de un molde de arena de una determinada pieza y se realizará la colada de aluminio fundido, según los siguientes pasos:

7 4.1 Fabricación del modelo. Elija uno de los modelos de madera que disponibles en el laboratorio, Fig. 3, o construya uno con poliestireno (plástico termoplástico), y con el fabrique el molde. Fig. 3. Modelo de una pieza automotriz. 4.2 Fabricación del molde. El molde se hará de arena y en cajas de moldear, Fig. 4. Se utilizará arena sílice de grano pequeño y bentonita (arcilla) como aglomerante. La arcilla adquiere su capacidad aglomerante al humedecerse con agua. Una vez formado el molde (y los núcleos colocados) en su sitio, las dos mitades (moldes superior e inferior) se cierran, se sujetan y se les colocan pesos encima. Esto último se hace para impedir la separación de las secciones del molde debida a la presión ejercida cuando el metal fundido es vertido en la cavidad del molde.

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10 Fig. 4. (a) Preparación de la arena, (b) Comprobación acople de semicajas, (c) Posicionamiento y separación de semimodelos en 1ra semicaja, (d) Apisonado de arena en 1ra semicaja, (e) Nivelación de arena, (f) Giro de 1ra semicaja, (g) Semimoldelos embebidos en 1ra semicaja, (h) Colación de 2da semicaja sobre la 1ra y acople de los semimodelos restantes e instalación de mazarota, bebedero y canales de alimentación, (i) Apisonado de arena en 2da semicaja e instalación de respiraderos, (j) Nivelación en 2da semicaja, (k) Separación de las dos semicajas, (l) Extracción de semimodelos y sistema de alimentación, (ll) Cierre de las semicajas, (m) Molde listo. Una vez moldeado el modelo en la semicaja inferior, se voltea y se le coloca la semicaja superior y se rellena de arena. El molde se dota con el cargador (alimentador) y respiraderos, en caso de ser necesario, y con el canal de colada. Se saca el modelo y se vuelve a colocar la semicaja superior y se hace solidaria a la inferior para evitar que se levante al efectuar la colada como se ilustra en la secuencia de pasos de la Fig. 4. El diseño del sistema de alimentación es importante para una correcta alimentación del metal fundido a la cavidad del molde. Debe minimizarse la turbulencia, permitirse el escape de aire y de gases mediante respiraderos. El diseño de las mazarotas es también importante a fin de suministrar el metal fundido necesario durante la solidificación de la pieza. La copa de vaciado también puede servir de mazarota. 4.3 Fusión. La carga (chatarra, minerales, aleaciones maestras, fundentes y otros) se prepara para producir mediante fusión la aleación de una composición específica. La

11 carga se coloca, normalmente, en un crisol, donde se funde debido al calor que proporciona el horno, Fig. 5. Fig. 5. (a) Horno eléctrico, (b) Eliminación de escorias. 4.4 Colada. Cuando la aleación fundida alcanza la temperatura y composición deseada, ésta se transfiere directamente desde el horno al molde, o a un cucharón que la transporta y vierte al molde, Fig. 6.. Fig. 6. (a) Transporte de crisol, (b) Colada. 4.5 Solidificación. Durante el enfriamiento del material fundido, Fig. 7., el volumen específico se reduce gradualmente hasta que se alcanza el punto de fusión. Aquí los átomos ocupan posiciones específicas en el espacio que son características de cada metal definiendo el tipo de estructura cristalina. La contracción por solidificación es por lo general del 2,5 a 6,5%. Esto significa que si se va a producir una pieza

12 fundida de calidad, ésta debe ser suplementada para compensar la contracción por solidificación. Fig. 7. Solidificación del material líquido vertido en molde. 4.6 Desmoldeo. Después de la solidificación, se sacude la pieza sacándola de su molde, y mediante chorro de arena se eliminan las capas de arena y óxido adheridas a la pieza. Las piezas de acero o fundición también se limpian con chorro de granalla de acero (granallado). Las mazarotas y sistemas de alimentación se cortan con oxiacetileno, sierra, cizallas y discos abrasivos, o son recortados en troqueles. Fig. 8. (a) Desmoldeo, (b) Pieza obtenida y componentes del sistema de alimentación.

13 4.7 Acabado. La superficie de la pieza es importante en las operaciones de maquinado subsecuentes, porque la maquinabilidad puede resultar adversamente afectada si las piezas no se limpian adecuadamente y quedan partículas de arena. Si algunas regiones de la pieza no se han formado correctamente o se han formado de manera incompleta, se pueden reparar los defectos rellenándolos con soldadura adecuada. Las fundiciones en molde de arena generalmente tienen superficies ásperas y granuladas, dependiendo de la calidad del molde y de los materiales utilizados. La pieza obtenida puede tratarse térmicamente, a fin de mejorar ciertas propiedades para su uso en servicio. Estos procesos son particularmente importantes para los aceros. Las operaciones de acabado pueden incluir el enderezar a máquina, o el forjado con matrices para obtener las dimensiones finales. También las imperfecciones superficiales menores pueden llenarse con un epoxy, especialmente para fundición gris que es difícil de soldar. La inspección es un paso final importante y se lleva a cabo para asegurar que la pieza cumple con todos los requerimientos de diseño y control de calidad