ISTITUTO INVENIO DE TECNOLOGIAS EMERGENTES CURSO DE HERRAMIENTAS, FABRICACIÓN DE MOLDES Y TROQUELES PROF. HELI SAUL FUENMAYOR PIRELA

Transcripción

1 ISTITUTO INVENIO DE TECNOLOGIAS EMERGENTES CURSO DE HERRAMIENTAS, FABRICACIÓN DE MOLDES Y TROQUELES PROF. HELI SAUL FUENMAYOR PIRELA ESTUDIANTES. STEVEN VAZQUEZ, JUAN VARGAS, MARÍA MENESES CARRERA. DIPLOMADO EN DISEÑO Y FABRICACIÓN FEBRERO, 2016

2 Contenido Introducción... 5 Investigación y desarrollo... 6 Moldeo en verde Moldeo en cascara Fundición Proceso de fundir: Factores que afectan la fluidez de un metal durante el vertido Vaciado del metal fundido La temperatura de vaciado La velocidad de vertido o vaciado La turbulencia de flujo Entalpía de fusión Metales puros y aleaciones en la fundición Aleaciones eutécticas Regla de chovorinov Tipos de contracciones durante el proceso de fundición Contracción liquida Contracción de solidificación Efectos Contracción del metal fundido Solidificación Enfriadores internos Enfriadores externos Procesos de fundición de los metales Fundición a la arena Modelo deslizante Placas ajustadas Componentes principales de una fundición a la arena Los moldes se clasifican según los materiales usados para fundición Moldes de arena en verde Moldes con capa seca

3 Moldes con arena seca Moldes de arcilla Moldes furánico Moldes de CO Moldes de metal Moldes especiales Componentes de los moldes Coronas Propiedades que determinan la calidad de un molde Fundición con moldes de yeso y de cerámica Fundición de un molde permanente al vacío y al vacío Moldeo permanente al vacío Fundición de molde permanente al vacío Moldeo al vacío Proceso de fundición al vacío Éstos son los requisitos a los que se somete un proceso óptimo de fundición al vacío Desarrollo de un proceso óptimo de fundición al vacío Troqueles Principales máquinas para fundición con troquel Materiales para troquel Rebaba Fundición centrífuga real y fundición semicentrífuga Fundición centrífuga Partes que componen un troquel Fundición centrífuga real Fundición semicentrífuga Hornos para fundición Cubilotes Hornos de combustible directo Crisoles Hornos de arco eléctrico Hornos de inducción

4 Operaciones post fundido Calidad del fundido Defectos de fundición Vacíos Cierres fríos Gránulos fríos Cavidad de fuga Microporosidad Desgarre caliente Conclusión Bibliografía

5 Introducción El siguiente trabajo, será realizado con la finalidad de estudiar los diferentes moldes y troqueles específicamente relacionados con el área de fundición en arena. Existen diferentes tipos de moldes, de los cuales se hará mención con la finalidad de compararlos correspondientemente con el tema principal. Esta investigación estará compuesta por tres partes, introducción, análisis y desarrollo y finalmente una conclusión, con el propósito de hacer un análisis de las importancias de los moldes y troqueles en la industria metalúrgica, industrial y producción en masa. De igual manera se hará una investigación bastante general de lo que son las fundiciones y la aplicabilidad de las mismas, entre otros aspectos. Los moldes, son instrumentos o componentes para crear piezas de complejidad mínima o máxima dependiendo de la finalidad con la que sean fabricados. Existen de diferentes materiales, cavidades y características que los hacen específicos para cada función. Existen permanentes, semipermanente y desechables. Para lograr obtener fundiciones o productos de las mismas, el proceso de calentado del material debe ser mayor al punto de fusión, para mantenerlo caliente y lograr ejecutar la inyección por medio de un pistón o por cualquier otro medio compatible con el material. De forma general, este trabajo estará compuesto de diferentes datos importantes o información para cualquier persona que desee conocer datos de importancia acerca de la fundición en arena entre otros aspectos alrededor del mismo. 5

6 Investigación y desarrollo La fundición de formas involucra la producción de piezas complejas que se aproximan más a la forma final deseada del producto. Este capítulo se ocupa de estas formas de fundición más que de los lingotes. Existen diversos métodos para la fundición de formas, lo cual hace de este proceso uno de los más versátiles en manufactura. Sus posibilidades y ventajas son las siguientes: La fundición se puede usar para crear partes de compleja geometría, incluyendo formas externas e internas. Algunos procesos de fundición pueden producir partes de forma neta que no requieren operaciones subsecuentes para llenar los requisitos de la geometría y dimensiones de la parte. Se puede usar la fundición para producir partes de unos cuantos gramos hasta formas que pesan más de 100 toneladas (coronas dentales, joyería, estatuas, bloques y cabezas para motores automotrices, bases para máquinas, ruedas para ferrocarril, tubos, carcasas para bombas, etc.). El proceso de fundición puede realizarse en cualquier metal que pueda calentarse y pasar al estado líquido. Algunos métodos de fundición son altamente adaptables a la producción en masa. Se debe mencionar también las desventajas asociadas con el proceso de fundición. Estas incluyen: Las limitaciones de algunos procesos Se pueden obtener piezas con propiedades mecánicas no homogéneas Piezas con porosidad Baja precisión dimensional Acabado deficiente de la superficie Los riesgos que los trabajadores corren durante el procesamiento Problemas ambientales. El proceso de fundiciones realiza en una fundidora. Una fundidora es una fábrica equipada para hacer moldes, fundir y manejar el metal en estado líquido, desempeñar los procesos de fundición y limpieza de las piezas terminadas. Los trabajadores que realizan estas operaciones se llaman fundidores. El primer paso que se da en el proceso de fundición es la fabricaron del molde. El 6

7 molde contiene una cavidad que dará la forma geométrica de la parte a fundir. La cavidad debe diseñarse de forma y tamaño ligeramente sobredimensionados, esto permitirá la contracción del metal durante la solidificación y enfriamiento. Cada metal sufre diferente porcentajes de contracción, por tanto, la cavidad debe diseñarse para el metal particular que se va a fundir. La cavidad del molde proporciona la superficie externa de la fundición; pero además puede tener superficies internas, que se definen por medio de corazones, los cuales son formas colocadas en el interior de la cavidad del molde para formar la geometría interior de la pieza. Los moldes se hacen de varios materiales que incluyen arena, yeso, cerámica y metal. Los procesos de fundición se clasifican frecuentemente de acuerdo a los diferentes tipos de moldes. En una operación de fundición, se calienta primero el metal a una temperatura lo suficientemente alta para transformarlo completamente en líquido. Después se vierte directamente en la cavidad del molde En un molde abierto el metal líquido se vacía simplemente hasta llenar la cavidad abierta. En un molde cerrado una vía de paso llamada sistema de vaciado permite el flujo del metal fundido desde fuera del molde hasta la cavidad. El molde cerrado es la forma más importante de producción en operaciones de fundición. El sistema de vaciado en un molde de fundición es el canal o red de canales por donde fluye el metal fundido hacia la cavidad desde el exterior. El sistema de vaciado, consiste típicamente en un bebedero de colada (también llamado simplemente bebedero) a través del cual entra el metal a un canal de alimentación o corredor que conduce a la cavidad principal. En la parte superior del bebedero existe frecuentemente una copa de vaciado para minimizar las salpicaduras y la turbulencia del metal que fluye en el bebedero. En el diagrama aparece como un simple embudo en forma de cono. Algunas copas de vaciado se diseñan en forma de tazón como en la figura 2.1(c) con un canal abierto que conduce al bebedero. 7

8 El molde donde se solidifica el metal debe ser destruido para mover la fundición. Estos moldes se hacen de arena, yeso o materiales similares que tienen su forma, usando aglomerantes de varias clases. La fundición en arena es el ejemplo más prominente. En la fundición de arena se vacía metal líquido dentro del molde hecho de arena. Después de que el metal se endurece, se sacrifica el molde a fin de recuperar la fundición. La fundición en molde permanente usa un molde metálico 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 forma 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 son: aluminio, magnesio, aleaciones de cobre y hierro fundido. Pude usarse muchas veces para producir fundiciones en cantidad, es decir, tienen ciertas ventajas económicas en operaciones de alta producción. Está hecho de un metal o algunas veces de un refractario cerámico, que puede soportar las altas temperaturas de las operaciones de fundición. En este caso, el molde permanente consta de dos o más secciones que pueden abrirse para permitir la remoción de la parte terminada. La fundición en dados es el proceso más conocido de este grupo (Cuando se inyecta el metal fundido en la cavidad del molde a alta presión, las más comunes son de MPa, la presión se mantiene durante la solidificación, posteriormente se abre el molde para remover la pieza). También dentro de esta categoría existe el llamado fundición en molde semipermanente (Ya que si quitar el corazón metálico es imposible o muy difícil se puede utilizar un corazón de arena) 8

9 La fundición en arena es el proceso más utilizado en la industria de la fundición, la producción por medio de este método representa la mayor parte del tonelaje total de 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, el níquel y el titanio. Su versatilidad permite fundir partes muy pequeñas o muy grandes en cantidades de producción que van desde una pieza a millones de éstas. La fundición en arena consiste en vaciar el metal fundido a un molde de arena, dejarlo solidificar y romper después el molde para remover la fundición. Posteriormente, la fundición pasa por un proceso de limpieza e inspección. La fundición en arena requiere un patrón o modelo al tamaño de la parte, ligeramente agrandado, tomando en consideración la contracción y las tolerancias para el maquinado de la pieza final. Los materiales que se usan para hacer estos modelos son madera, resinas o metales. El más simple está hecho de una pieza, llamado modelo sólido, que tiene la misma forma de la fundición y los ajustes en tamaño por contracción y maquinado. Su manufactura es fácil, pero la complicación surge cuando se utiliza para hacer el molde de arena. Determinar la localización del plano de separación entre las dos mitades del molde e incorporar el sistema de vaciado y el vertedero de colada para un modelo sólido, puede ser un problema que se dejará al juicio y habilidad del operario del taller de fundición. Por tanto, los modelos sólidos se usan solamente en producciones de muy baja cantidad. 9

10 Moldeo en verde El molde es una cavidad que tiene la forma geométrica de la pieza que se va fundir. La arena de fundición es sílice (Si02) 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 del grano, la distribución de tamaños del grano en la mezcla y la forma de los granos. Los granos pequeños proporcionan mejor acabado superficial en la fundición, pero los granos grandes son más permeables, para que los gases escapen durante el vaciado. Los moldes hechos de granos irregulares tienden a ser más fuertes que los moldes de granos redondos debido al entrelazado de los granos, pero esto tiende a restringir la permeabilidad. Los moldes de arena verde se hacen de una mezcla de arena, bentonita y agua, el término "verde" se refiere al hecho de que el molde contiene humedad al momento del vaciado. Los moldes de arena verde tienen suficiente resistencia en la mayoría de sus aplicaciones, así como buena refractabilidad, permeabilidad y reutilización. Moldeo en cascara El moldeo en cáscara, también conocido como SHELL-MOULDING, se lleva a cabo al poner en contacto arena revestida con resina (arena shell) con el modelo que previamente se calentó a una temperatura de 250ºC. La resina que lleva la arena, al quedar en contacto con la placa modelo caliente, va a aglomerar a la arena alrededor del modelo, quedando un molde en forma de cáscara que separaremos del modelo. En este proceso, los modelos deben ser buenos conductores del calor, resistir los cambios de temperatura, por lo que deben ser de metal (hierro o acero). 10

11 Sobrecalentamiento, es la diferencia de temperatura sobre el punto de fusión en el cual se vierte el metal fundido. El término también refiere a la cantidad de calor que se pierde del metal fundido entre el vertido y la solidificación. La temperatura de vaciado es la temperatura del metal fundido al momento de su introducción en el molde. Lo importante aquí es la diferencia entre la temperatura de vaciado y la temperatura a la que empieza la solidificación (el punto de fusión para un metal puro, o la temperatura líquidos para una aleación). A esta diferencia de temperaturas se le llama algunas veces sobrecalentamiento. La turbulencia de flujo se caracteriza por variaciones erráticas de la velocidad del fluido; cuando éste se agita, genera corrientes irregulares en lugar de fluir en forma laminar. El flujo turbulento debe evitarse durante el vaciado por varias razones. Tiende a acelerar la formación de óxidos metálicos que pueden quedar atrapados durante la solidificación, degradando así la calidad de la fundición. La turbulencia provoca una erosión excesiva del molde, que es el desgaste gradual de las superficies del molde debido al impacto del flujo de metal fundido. La erosión es especialmente seria cuando ocurre en la cavidad principal porque afecta la forma de la parte fundida. Otra relación de importancia durante el vaciado es la ley de continuidad, la cual establece que la velocidad volumétrica del flujo permanece constante a través del líquido. La velocidad del flujo volumétrico m 3 /seg es igual a la velocidad multiplicada por el área de la sección transversal del flujo líquido. La ley de continuidad puede expresarse como: 1 1 2A2 Q = v A = v 2.5 Donde: Q = Velocidad de flujo volumétrico, (m 3 /seg); v = Velocidad, (m/seg); A = Área de la sección transversal del líquido, (m 2 ) Los subíndices se refieren a cualquiera de los dos puntos en el 11

12 sistema de flujo. Entonces, un incremento en el área produce un decremento en la velocidad y viceversa. Fundición La Fundición de metales es el proceso de fabricación de piezas mediante el colado del material derretido en un molde. Los mismos que son elaborados en arena y arcilla debido a la abundancia de este material y también a la resistencia que tiene al calor, permitiendo además que los gases se liberen al ambiente y que el metal no. (Fundiciones BOU) Según la cita anterior, las fundiciones son resultados de procesos calculados que buscan lograr separar componentes, para conseguir una figura irregular de dimensiones diferentes a la original. Proceso de fundir: Fundir es llevar a cabo el proceso de fusión en una sustancia, es decir, hacer que pase desde el estado sólido al estado líquido. A nivel molecular, las moléculas en estado sólido están confinadas a posiciones fijas en el espacio, estando cohesionadas (muy juntas) unas con otras. El único movimiento de las moléculas es una vibración respecto a sus posiciones A nivel molecular, las moléculas en estado líquido se mueven más libremente en varias direcciones. Pero las moléculas están relativamente unidas unas a otras por fuerzas intermoleculares, así que el de una molécula no es 100% libre, sino que una molécula depende de las moléculas que la rodean para moverse Es decir, hay más movimiento molecular en el estado líquido que en el sólido. Al fundir se aplica calor a la materia, el calor es una forma de energía, que una vez que entra a la materia, se convierte en una energía que hace mover cada vez más a las moléculas (energía cinética). 12

13 Las fundiciones tienen innumerables usos y sus ventajas más importantes son: Son más fáciles de maquinar que los aceros. Se pueden fabricar piezas de diferente tamaño y complejidad. En su fabricación no se necesitan equipos ni hornos muy costosos. Absorben las vibraciones mecánicas y actúan como autolubricantes. Son resistentes al choque térmico, a la corrosión y de buena resistencia al desgaste. De acuerdo con la apariencia de su fractura, las fundiciones pueden ser grises, blancas, atruchadas, aunque también existen las fundiciones maleables, nodulares y especiales o aleadas. Factores que afectan la fluidez de un metal durante el vertido Vaciado del metal fundido Después del calentamiento, el material está listo para vaciarse. La introducción del metal fundido en el molde y su flujo dentro del sistema de vaciado y de la cavidad es un paso crítico en el proceso. Para que este paso tenga éxito, el metal debe fluir antes de solidificarse a través de todas las regiones del molde, incluida la región más importante que es la cavidad principal. Los factores que afectan la operación de vaciado son la temperatura de vaciado, la velocidad de vaciado y la turbulencia. La temperatura de vaciado Es la temperatura del metal fundido al momento de su introducción en el molde. Lo importante aquí es la diferencia entre la temperatura de vaciado y la temperatura a la que empieza la solidificación (el punto de fusión para un metal puro, o la temperatura liquidus para una aleación). A esta diferencia de temperaturas se le llama algunas veces sobrecalentamiento. 13

14 La velocidad de vertido o vaciado Es el caudal con que se vierte el metal fundido que ingresa al molde. Si la velocidad es muy lenta, el metal puede enfriarse antes de llenar la cavidad. Si la velocidad de vaciado es excesiva provoca turbulencia y puede convertirse en un problema serio. La turbulencia de flujo Se caracteriza por las variaciones erráticas de la velocidad del fluido; cuando éste se agita, genera corrientes irregulares en lugar de fluir en forma laminar. El flujo turbulento debe evitarse durante el vaciado por varias razones. Tiende a acelerar la formación de óxidos metálicos que pueden quedar atrapados durante la solidificación, degradando así la calidad de la fundición. La turbulencia provoca una erosión excesiva del molde, que es el desgaste gradual de las superficies del molde debido al impacto del flujo de metal fundido. La erosión es especialmente seria cuando ocurre en la cavidad principal porque afecta la forma de la parte fundida. Entalpía de fusión La entalpía de fusión o calor de fusión (ΔH fus ) es la cantidad de energía necesaria para hacer que un mol de un elemento que se encuentre en su punto de fusión pase del estado sólido al líquido, a presión constante. En otras palabras, es la cantidad de energía que un sistema puede intercambiar con su entorno. Es una magnitud de termodinámica (H), cantidad de energía que se puede intercambiar. La entalpía de fusión es un calor latente ya que durante el proceso de cambio de estado no se da un cambio apreciable de temperatura. El calor es completamente invertido en modificar la estructura del material para dar movilidad a sus unidades moleculares. Cuando para estudiar la energía necesaria para el cambio de sólido a líquido se hace referencia a la unidad de masa el parámetro empleado es el «calor específico de fusión» en cal/g o J/g. Sin embargo cuando se 14

15 quiere hacer referencia a la unidad absorbida por mol de sustancia en cambio de estado se emplea la «entalpía de fusión» en kj/mol. Metales puros y aleaciones en la fundición Los metales Puros se solidifican a temperatura constante igual a la del punto de fusión. La mayoría de las aleaciones comienzan a solidificar en el líquido y la solidificación completa ocurre en el sólido, en donde la temperatura del líquido es más alta que el sólido. Aleaciones eutécticas Es una mezcla de cristales formada cada uno de ellos de un solo componente puro estas aleaciones son de muy poca aplicación práctica debido a sus bajas propiedades mecánicas Constituyen una excepción al proceso de solidificación normal, una aleación eutéctica tiene una composición singular en la cual las temperaturas solidus y liquidus son iguales. En consecuencia la solidificación ocurre a una velocidad constante y no en un rango de temperatura como los demás tipos de aleaciones. Regla de chovorinov La regla de Chovorinov es una relación matemática formulada por Nicolás Chovorinov en 1940, en procesos de fundición metalúrgica, relaciona el tiempo de solidificación de una pieza con su volumen y superficie. Cuantifica la experiencia empírica de que a iguales condiciones externas, la pieza con mayor superficie y menor volumen se enfriará más rápidamente que otra con menos superficie y mayor volumen t es el tiempo de solidificación, 15

16 V es el volumen de la pieza, A es la superficie de la pieza en contacto con el molde, n es una constante (según Askeland, normalmente 2; sin embargo Degarmo la establece entre 1,5 y 2 23 ) B es la constante del molde. Esta última constante depende de las propiedades del metal (densidad, capacidad calorífica, calor de fusión) y del molde, como temperatura inicial, densidad, conductividad térmica, capacidad calorífica y grosor de pared. Las unidades de Bson. Tipos de contracciones durante el proceso de fundición Contracción liquida La altura del metal liquido se reduce hasta el nivel inicial, la cantidad de esta concentración liquida es generalmente alrededor del 0.5%. Contracción de solidificación Es la contracción durante el cambio de fase de líquido a sólido. Efectos La contracción causa una reducción posterior en la altura de la fundición. La cantidad de metal líquido disponible para alimentar la porción superior del centro de la fundición se restringe. Esta es generalmente la última región a solidificar la ausencia del metal crea un vacío en este lugar conocido como rechupe. Contracción del metal fundido Esta ocurre cuando la fundición experimenta una reducción en altura y diámetro mientras se enfría, esta contracción se determina por el cociente de expansión térmica. 16

17 Solidificación Para minimizar los efectos dañinos de la contracción es conveniente que las regiones de la fundición más distantes de la fuente del metal líquido se solidifiquen primero y que la solidificación progrese de estas regiones hacia la mazarota. Otra forma de fomentar la solidificación es por medio de enfriadores estos son sumidero de calor internos o externos que causan un enfriamiento rápido en ciertas regiones de la fundición existen dos tipos. Enfriadores internos Son pequeñas partes de metal colocadas dentro de la cavidad antes del vaciado, cuyo objetivo es que el metal solidifique primero alrededor de estas partes. El refrigerante interno debe tener una composición química igual a la del metal que se vacía Enfriadores externos Son insertos metálicos en las paredes de la cavidad del molde que remueven el calor del metal fundido más rápidamente que la arena circundante a fin de promover la solidificación. Procesos de fundición de los metales Los procesos de fundición de los metales se dividen en 2 categorías básicas de acurdo al tipo de molde desechable o permanente En las operaciones con molde desechable este se destruye para remover la parte fundida, mientras que el de molde permanente el molde se fabrica con metal u otro material durable que permite usarlos en repetidas operaciones de fundición Fundición a la arena Existen dos métodos diferentes por los cuales la fundición a la arena se puede producir. Se clasifica en función de tipo de modelo usado, ellos son: modelo removible y modelo desechables. En el método empleando modelo removible, la arena comprimida alrededor del modelo el cual se 17

18 extrae más tarde de la arena. La cavidad producida se alimenta con metal fundido para crear la fundición. Los modelos desechables son hechos de poliestireno y en vez de extraer el modelo de la arena, se vaporiza cuando el metal fundido es vaciado en el molde. Para entender el proceso de fundición, es necesario conocer como se hace un molde y que factores son importantes para producir una buena fundición. Un modelo es un patrón de la pieza, los materiales en que se puede hacer el modelo son metal, plástico o madera. Modelo deslizante Son dos piezas que se dividen a lo largo de un plano que coinciden con la línea divisoria del molde. Son útiles para piezas con geometrías complejas. Placas ajustadas Las dos partes del modelo deslizante están sujetas a los lados opuestos de una placa de madera o metal, esto hace que la alineación sea la adecuada. Componentes principales de una fundición a la arena Procedimiento de moldeo Modelo Arena Corazones Equipo metálico Metal Vaciado y limpieza Procedimiento de moldeo 18

19 Los moldes se clasifican según los materiales usados para fundición Moldes de arena en verde Es el método más común que consiste en la formación del molde con arena húmeda, usada en ambos procedimientos. La llamada arena verde es simplemente arena que no se ha curado, es decir, que no se ha endurecido por horneado. El color natural de la arena va desde el blanco hasta el canela claro, pero con el uso se va ennegreciendo. La arena no tiene suficiente resistencia para conservar su forma, por ello se mezcla con un aglutinante para darle resistencia; luego se agrega un poco de agua para que se adhiera. Esta arena se 16 puede volver a emplear solo añadiendo una cantidad determinada de aglutinante cuando se considere necesario. Moldes con capa seca Dos métodos son generalmente usados en la preparación de moldes con capa seca. En uno la arena alrededor del modelo a una profundidad aproximada de 10 mm se mezcla con un compuesto de tal manera que se seca y se obtiene una superficie dura en el molde. El otro método es hacer el molde entero de arena verde y luego cubrir su superficie con un rociador de tal manera que se endurezca la arena cuando el calor es aplicado. Los rociadores usados para este propósito contienen aceite de linaza, agua de melaza, almidón gelatinizado y soluciones liquidas similares. En ambos métodos el molde debe secarse de dos maneras: por aire o por una antorcha para endurecer la superficie y eliminar el exceso de humedad. Moldes con arena seca Estos moldes son hechos enteramente de arena común de moldeo mezclada con un material aditivo similar al que se emplea en el método anterior. Los moldes deben ser cocados totalmente antes de usarse, siendo las cajas de metal. Los moldes de arena seca mantienen esta forma cuando son vaciados y están libres de turbulencias de gas debidas a la humedad. 19

20 Moldes de arcilla Los moldes de arcilla se usan para trabajos grandes. Primero se construye el molde con ladrillo o grandes partes de hierro. Luego, todas estas partes se emplastecen con una capa de mortero de arcilla, la forma del molde se empieza a obtener con una terraja o esqueleto del modelo. Luego se permite que el molde se seque completamente de tal manera que pueda resistir la presión completa del metal vaciado. Estos moldes requieren de mucho tiempo para hacerse y su uso no es muy extenso. Moldes furánico El proceso es bueno para la fabricación de moldes usando modelos y corazones desechables. La arena seca de grano agudo se mezcla con ácido fosfórico el cual actúa como un acelerador. La resina furánica es agregada y se mezcla de forma continua el tiempo suficiente para distribuir la resina. El material de arena empieza a endurecerse casi de inmediato al aire, pero el tiempo demora lo suficiente para permitir el moldeo. El material usualmente se endurece de una a dos horas, tiempo suficiente para permitir alojar los corazones y que puedan ser removidos en el molde. En uso con modelos desechables la arena de resina furánica puede ser empleada como una pared o cáscara alrededor del modelo que estará soportado con arena de grano agudo o en verde o puede ser usada como el material completo del molde. Moldes de CO2 En este proceso la arena limpia se mezcla con silicato de sodio y es apisonada alrededor del modelo. Cuando el gas de CO2 es alimentado a presión en el molde, la arena mezclada se endurece. Piezas de fundición lisas y de forma intrincada se pueden obtener por este método, aunque el proceso fue desarrollado originalmente para la fabricación de corazones. 20

21 Moldes de metal Los moldes de metal se usan principalmente en fundición en matriz de aleaciones de bajo punto de fusión. Las piezas de fundición se obtienen de formas exactas con una superficie fina, esto elimina mucho trabajo de maquinado. Moldes especiales Plástico, cemento, papel, yeso, madera y hule todos estos son materiales usados en moldes para aplicaciones particulares. De acuerdo con la apariencia de su fractura, las fundiciones pueden ser grises, blancas, atruchadas, aunque también existen las fundiciones maleables, nodulares y especiales o aleadas. Componentes de los moldes Los moldes necesitan de ciertos componentes para su correcto funcionamiento. Dichos componentes son muy variados pero solo será mencionada la corona, que el mecanismo de mayor importancia. Coronas En función de la forma de la pieza, el núcleo quizá requiera soportes para quedar en posición en la cavidad del molde durante el vertido. Estos soportes, llamados Coronas, están hechos de un metal con temperatura de fusión más alta que la del metal que se va a fundir. Por ejemplo, para hacer fundidos de hierro se usarían coronas de acero. En el vertido y solidificación, las coronas se unen en el fundido. 21

22 Propiedades que determinan la calidad de un molde Las arenas de fundición son sílice (SiO2) o sílice mezclado con otros minerales. La arena debe tener buenas propiedades refractarias, es decir, capacidad de soportar temperaturas altas sin que se funda o sufra algún otro tipo de degradación. Otras características importantes de la arena son el tamaño del grano, su distribución en la mezcla y la forma de los granos individuales. Los granos pequeños dan una mejor superficie al terminado de la pieza fundida, pero los de tamaño grande son más permeables (para permitir el escape de los gases durante el vertido). Los moldes elaborados con granos irregulares tienden a ser más fuertes que los hechos con granos redondeados debido a la imbricación, aunque ésta tiende a restringir la permeabilidad. Al hacer el molde, los granos de arena se mantienen unidos por una mezcla de agua y arcilla adhesiva. Una mezcla común (en volumen) es de 90% de arena, 3% de agua y 7% de arcilla. Para mantener a la arcilla en su sitio se emplean distintos agentes adhesivos, como resinas orgánicas (por ejemplo, resinas fenólicas) y aglutinantes inorgánicos (por ejemplo, silicato de sodio y fosfato). Además de la arena y el aglutinante, en ocasiones se agregan aditivos a la mezcla a fin de mejorar propiedades tales como la resistencia o la permeabilidad del molde. Para formar la cavidad del molde, el método tradicional consiste en compactar la arena alrededor del modelo para la capucha y base, en un contenedor llamado caja de moldeo. 22

23 Fundición con moldes de yeso y de cerámica La fundición con molde de yeso es similar a aquella con arena, excepto que el molde está hecho de yeso de París (CaSO4 2H2O), en vez de arena. Con el yeso se mezclan aditivos tales como el talco y polvo de sílice para controlar la contracción y el tiempo de preparación, reducir el agrietamiento y aumentar la resistencia. Para hacer el molde, se vierte la mezcla de yeso y agua sobre un modelo de plástico o metal en un recipiente y se deja reposar. Por lo general los modelos de madera son insatisfactorios debido al contacto largo con el agua del yeso. La consistencia del fluido permite que la mezcla de yeso fluya con facilidad alrededor del 23

24 modelo y capture sus detalles y acabado de la superficie. Así, el producto que se funde en moldes de yeso es notable por tener dichos atributos. Una de las desventajas del proceso es la cura del molde de yeso, al menos en producción elevada. El molde debe permanecer en reposo alrededor de 20 minutos antes de que el modelo se desmonte. Después, el molde se hornea durante varias horas a fin de eliminar la humedad. Aun con el horneo, no todo el contenido de humedad llega a eliminarse. El dilema que enfrentan los fundidores es que la resistencia del molde se pierde cuando la estator de una pieza para un compresor, con 108 aletas aerodinámicas separadas, elaborado por medio de fundición por revestimiento (cortesía de Howmet Corp.). Procesos de fundición de metales con una pasta se deshidrata demasiado, por lo que el contenido de humedad ocasiona defectos en la fundición del producto. Debe llegarse a un balance entre estas alternativas indeseables. Otra desventaja con el molde de yeso es que no es permeable, lo que limita el escape de los gases de la cavidad del molde. Este problema se puede resolver de distintos modos: 1) con la evacuación del aire de la cavidad del molde antes del vertido 2) por medio del oreo de la masa de yeso antes de fabricar el molde, de modo que la pasta dura que resulte contenga vacíos dispersados finamente y 3) con el uso de una composición especial del molde y el tratamiento conocido como proceso de Antioquia. Éste consiste en usar 50% de arena mezclada con el yeso, calentar el molde en un autoclave (horno que utiliza vapor supercaliente y a presión) y después dejar que se seque. El molde que resulta tiene una permeabilidad considerablemente mayor que la de uno de yeso convencional. 24

25 Los moldes de yeso no resisten temperaturas tan altas como las de los moldes de arena. Por tanto, están limitados a la fundición de aleaciones con puntos de fusión bajos, como las de aluminio, magnesio y algunas con base de cobre. Las aplicaciones incluyen moldes de metal para moldear caucho y plástico, impulsores de turbinas y bombas, y otras piezas de forma relativamente intrincada. Los tamaños de los fundidos van de alrededor de 20 g (menos de 1 onza) a más de 100 kg (más de 200 libras). Las más comunes son las piezas que pesan 10 kg (20 libras), aproximadamente. Las ventajas de los moldes de yeso para estas aplicaciones son el buen terminado de la superficie, la exactitud dimensional y la capacidad de fabricar fundidos de sección transversal delgada. El fundido con moldes cerámicos es similar al fundido con aquéllos de yeso, excepto que el molde se elabora con materiales cerámicos refractarios que resisten temperaturas más elevadas que los de yeso. Así, los moldes cerámicos se emplean para fundir aceros, hierro y otras aleaciones de alta temperatura. Sus aplicaciones (moldes y piezas relativamente intrincadas) son similares a las de las fundiciones hechas en moldes de yeso, excepto para la fundición de metales. Sus ventajas (exactitud y terminado buenos) también son parecidas Fundición de un molde permanente al vacío y al vacío Moldeo permanente al vacío El moldeo al vacío, también llamado proceso V, se inventó en Japón alrededor de Utiliza un molde de arena que se mantiene unido por medio de una presión de vacío en lugar de emplear un aglutinante químico. En consecuencia, el término vacío se refiere, en el contexto de este proceso, a la fabricación del molde en lugar de a la operación de fundido en sí. En la se explican las etapas del proceso. 25

26 Fundición de molde permanente al vacío La fundición en molde permanente usa un molde metálico 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 forma 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 son: aluminio, magnesio, aleaciones de cobre y hierro fundido, Sin embargo, el hierro fundido requiere una alta temperatura de vaciado, 1250 ºC a 1500 ºC, lo cual acorta significativamente la vida del molde. Las temperaturas más altas de vaciado para el acero, hacen inapropiado el uso de moldes permanentes para este metal, a menos que se hagan en moldes de material refractario. 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 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 primero para prepararlos, y se rocía la cavidad con uno o más recubrimientos. El precalentamiento facilita el flujo del 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. Las ventajas de la fundición en molde permanente incluyen buen acabado de la superficie y control dimensional estrecho, como ya se mencionó. Además, la solidificación más rápida causada por el molde metálico genera una 26

27 estructura de grano más fino, de esta forma pueden producirse fundiciones más resistentes. El proceso está limitado generalmente a metales de 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. Debido al costo sustancial del molde, el proceso se adapta mejor a producciones de alto volumen que pueden automatizarse. Las partes típicas que se producen con proceso de molde permanente incluyen pistones automotrices, cuerpos de bombas y ciertas fundiciones para aviones y proyectiles. Fundición hueca La fundición hueca es un proceso de molde permanente en el cual se forma un hueco al invertir el molde, después que el metal ha solidificado parcialmente en la superficie del molde, drenando así el metal líquido del centro. La solidificación empieza en las paredes relativamente frías del molde y progresa con el tiempo hacia la parte media de la fundición. El espesor del casco se controla por el tiempo que transcurre antes de drenar. La fundición hueca se usa para hacer estatuas, pedestales de lámparas y juguetes a partir de metales de bajo punto de fusión como plomo, zinc y estaño. En estos artículos lo importante es la apariencia exterior, pero la resistencia y la geometría interior de la fundición no son relevantes. Moldeo al vacío Proceso de fundición al vacío Los requisitos esperados de los componentes estructurales de paredes de espesor fino y medio para la fabricación de automóviles son altos y requieren una buena calidad de ensamblaje: Buena capacidad de soldadura. Alta capacidad de carga mecánica. Dispersión reducida de la producción. 27

28 La fundición al vacío cumple requisitos ventajosos para reducir decisivamente la porosidad gaseosa, ya que el aire se evacua del molde. En función de la aleación empleada, los valores solicitados se alcanzan en el proceso de fundición al vacío sin necesidad de un tratamiento térmico adicional. No obstante, si éste fuera necesario, producirá fallos superficiales con baja porosidad gaseosa que no se tolerarán en el producto final. Éstos son los requisitos a los que se somete un proceso óptimo de fundición al vacío Para garantizar una alta seguridad de proceso, el equipamiento de vacío debe ser eficiente, y los elementos de moldeo y fundición deben estar bien sellados. Los perfiles de velocidad y presión deben regularse de forma precisa y reproducible, algo natural en las máquinas Bühler Evolution y Carat. Otros factores de influencia, como dosificación de metales, templado de moldes, engrase de pistón de inyección y proceso de pulverización de moldes, también se han optimizado para asegurar un alto grado de calidad. Desarrollo de un proceso óptimo de fundición al vacío En relación con los requisitos anteriormente mencionados, el proceso de fundición con apoyo de alto vacío alcanza su objetivo con gran seguridad. Cada uno de los pasos se ha optimizado para reducir aún más la porosidad gaseosa en comparación con la aplicación al vacío existente hasta ahora. 28

29 Troqueles Se le llama troquel a la herramienta que, montada en una prensa permite realizar operaciones diversas tales como: Cizallado Corte de sobrante Doblado Picado Perforado Estampado Embutido Marcado Rasurado La fundición con troquel es un proceso de fundición con molde permanente en el que se inyecta a presión elevada metal fundido a la cavidad del molde. Las presiones comunes son de 7 a 350 MPa (1 000 a lb/in La presión se mantiene durante la solidificación, después de la cual el molde se abre y se retira la pieza. Los moldes para esta operación de fundido reciben el nombre de troqueles, de donde deriva su nombre el proceso. La característica más notable que diferencia a este proceso de los demás de la categoría de moldes permanentes, es el uso de presión elevada para forzar el paso del metal a la cavidad del troquel. 29

30 Las operaciones de fundición con troquel se llevan a cabo en máquinas especiales de altos estándares de producción. Éstas se diseñan para que las dos mitades del molde embonen y cierren con exactitud, y las mantengan cerradas mientras se fuerza al metal líquido a pasar a la cavidad. Principales máquinas para fundición con troquel 1) cámara caliente 2) cámara fría Se diferencian en la manera en que el metal derretido se inyecta a la cavidad. Materiales para troquel En las máquinas de cámara caliente el metal se derrite en un contenedor adosado a la máquina, y se emplea un pistón para inyectar metal líquido a alta presión hacia el troquel. Las presiones de inyección comunes son de 7 a 35 MPa (1 000 a lb/in. No son raras tasas de producción de hasta 500 piezas por hora. La fundición con troquel de cámara caliente plantea un reto especial al sistema de inyección debido a que gran parte de éste se encuentra sumergido en el metal fundido. Por tanto, el proceso está limitado a aplicaciones con metales de punto bajo de fusión que no impongan ataque químico al pistón y otros componentes mecánicos. Los metales incluyen zinc, estaño, plomo y en ocasiones magnesio. En las máquinas de fundición con troquel de cámara fríase vierte metal derretido hacia una cámara que no está caliente, desde un contenedor externo, y se emplea un pistón para inyectarlo a alta presión hacia la cavidad del troquel. Las presiones de inyección comunes que se usan en estas máquinas son de 14 a 140 MPa (2 000 a lb/in). 30

31 En comparación con las máquinas de cámara caliente, las tasas del ciclo por lo general no son tan rápidas debido a la necesidad de una cuchara de colada para vaciar el metal líquido desde una fuente externa hacia la cámara. No obstante, este proceso de fundición es una operación de producción elevada. Las máquinas de cámara fría se usan por lo común para fundir aleaciones de aluminio, latón y magnesio. Aleaciones con punto de fusión bajo (zinc, estaño, plomo) también pueden fundirse en máquinas de cámara fría, pero por lo general las ventajas del proceso con cámara caliente favorecen su uso sobre estos metales. Rebaba Asimismo, en la fundición con troquel es común la formación de una rebaba, que entra como metal líquido a presión alta al espacio pequeño entre las mitades del troquel, en la línea de separación o en los claros alrededor de los núcleos y los pasadores eyectores. Esta rebaba debe recortarse del fundido, junto con el bebedero y el sistema de paso. Fundición centrífuga real y fundición semicentrífuga Se lleva a cabo en troqueles por su alta complejidad. Fundición centrífuga La fundición centrífuga se refiere a varios métodos de fundición en los que el molde gira a gran velocidad de modo que la fuerza centrífuga distribuye el metal derretido a las regiones externas de la cavidad del troquel. El grupo incluye: 1) fundición centrífuga real, 2) fundición semicentrífuga y 3) fundición centrifugada. 31

32 Partes que componen un troquel Mitad móvil del troquel Pasadores eyectores Cavidad Mitad fija del troquel Cucharón Martinete Cámara de disparo Fundición centrífuga real En la fundición centrífuga real, se vierte metal fundido a un molde rotatorio para producir una pieza tubular. Algunos ejemplos de las piezas que se fabrican con este proceso incluyen tuberías, tubos, boquillas y anillos. Se vierte metal derretido por un extremo del molde horizontal rotatorio. En algunas operaciones, la rotación del molde comienza después del vertido y no antes. La gran velocidad de rotación ocasiona que las fuerzas centrífugas hagan que el metal adopte la forma de la cavidad del molde. Así, la forma exterior del fundido puede ser redonda, octagonal, hexagonal, etcétera. Sin embargo, la forma interior del fundido es (en teoría) perfectamente circular, debido a las fuerzas con simetría radial que actúan. La orientación del eje de rotación del molde es horizontal o vertical, y el más común es el primero. A continuación se estudiará cuán rápido debe girar el molde en una fundición centrífuga horizontal, a fin de que el proceso tenga éxito. 32

33 En la fundición centrífuga, el metal líquido no se verá forzado a permanecer contra la pared del molde durante la mitad superior de la trayectoria circular, sino que lloverá dentro de la cavidad. Hay un deslizamiento entre el metal fundido y la pared del molde, lo que significa que la velocidad rotacional del metal es menor que la del molde. Con una base empírica, se ha encontrado que para la fundición centrífuga horizontal son apropiados valores de GF de 60 a 80, aunque esto depende hasta cierto punto del metal que se funde. En la fundición centrífuga vertical, el efecto de la gravedad sobre el metal líquido ocasiona que la pared del fundido sea más gruesa en la base que en la parte superior. El perfil interior de la pared del fundido adopta una forma parabólica. Los fundidos hechos con fundición centrífuga real se caracterizan por su densidad elevada, en especial en las regiones exteriores de la pieza, donde la fuerza es máxima. La contracción por la solidificación en el exterior del tubo fundido no es un factor, porque la fuerza centrífuga distribuye continuamente metal derretido en dirección de la pared del molde durante la solidificación. Cualesquiera impurezas del fundido tienden a estar en la pared interna y de ser necesario se eliminan con maquinado. Fundición semicentrífuga Con este método, se emplea la fuerza centrífuga para producir fundiciones sólidas, en vez de piezas tubulares. La velocidad de rotación en la fundición semicentrífuga, por lo general se establece de modo Que se obtengan factores G de alrededor de 15 [2], y los moldes se diseñan con mazarotas en el centro a fin de suministrar metal. La densidad del metal en el fundido final es mayor en las secciones exteriores que en el centro de la rotación. El proceso se emplea con frecuencia para 33

34 piezas en las que el centro de la fundición se máquina, lo que elimina la porción donde la calidad es más baja. Ejemplos de fundidos elaborados con este proceso son las ruedas y las poleas. Para la fundición semicentrífuga es frecuente emplear moldes desechables. La velocidad de rotación en la fundición semicentrífuga, por lo general se establece de modo mayor en las secciones exteriores que en el centro de la rotación. Hornos para fundición Los tipos de hornos más comunes que se emplean en las fundidoras son: 1) cubilotes 2) hornos de combustible directo 3) crisoles 4) hornos de arco eléctrico 5) hornos de inducción. La selección del tipo más apropiado de horno depende de factores tales como: aleación por fundir; sus temperaturas de fusión y vertido; requerimientos de capacidad del horno; costos de la inversión, la operación y el mantenimiento; y las consideraciones sobre contaminación ambiental. Cubilotes Un cubilote es un horno cilíndrico vertical equipado con un canal de paso (o bebedero de sangrado) cerca de su base. Los cubilotes sólo se usan para hierros colados, y aunque también se emplean otros hornos, el mayor peso en toneladas de hierro colado se obtiene en cubilotes. 34

35 Consiste en un cascarón grande de placa de acero recubierta con material refractario. La carga consiste en hierro, coque, fundente y tal vez elementos de aleación, y se introduce a través de una puerta que se localiza a menos de la mitad de la altura del cubilote. Hornos de combustible directo Un horno de combustible directo contiene un hogar abierto pequeño en el que se calienta la carga de metal por medio de quemadores de combustible ubicados en uno de sus lados. El techo del horno ayuda a la acción de calentar por medio de reflejar la flama hacia abajo contra la carga. El combustible común es gas natural, y los productos de la combustión salen del horno a través de un cañón. En la parte inferior del hogar hay un agujero de salida para extraer el metal fundido. Los hornos de combustible directo por lo general se emplean en el fundido de metales no ferrosos tales como aleaciones a base de cobre y aluminio. Crisoles Estos hornos funden el metal sin que tenga contacto directo con una mezcla combustible. Por esta razón, en ocasiones se les llama hornos de combustible indirecto. En las fundidoras se utilizan tres tipos de crisoles: a) móvil, b) estacionario y c) de volteo. Todos emplean un contenedor (el crisol) hecho de material refractario apropiado (por ejemplo, una mezcla de arcilla y grafito) o una aleación de acero de alta temperatura, para contener la carga. En el crisol móvil, éste se coloca en un horno y se calienta lo suficiente para derretir la carga de metal. Los combustibles comunes para estos hornos son petróleo, gas o carbón en polvo. Cuando el metal se derrite, el crisol se eleva fuera del horno y se usa como cuenco de vertido. Los otros dos tipos, que en ocasiones reciben el nombre de hornos de vasija, tienen el horno para calentar y el contenedor como unidad integrada. En el horno de crisol estacionario, el horno es estacionario y el metal fundido se extrae del contenedor con un cucharón. En el horno de crisol de volteo, todo el conjunto se inclina para hacer el vertido. Los crisoles se emplean para metales no ferrosos tales 35