Nuevos materiales: Manufactura I una odisea de 35.000 años Plan 2016 Semestre 2017-2 del homo habilis al homo sapiens
En el proceso de fundición el metal fundido fluye por gravedad u otra fuerza dentro de un molde donde se solidifica y toma la forma de la cavidad del molde Descripción esquemática del procesos de colada
Principio fundamental del proceso de fundición Calor Calor Rebaba Sólido Líquido Molde Sólido Pieza
Ventajas de la producción de piezas fundidas Producción de partes de geometría compleja Algunos procesos no se requiere de operaciones subsecuentes para llenar los requisitos geométricos y dimensionales de la pieza Amplio rango de dimensiones, ya que pueden producir piezas desde unos gramos hasta más de 100 toneladas
Ventajas de la producción de piezas fundidas El proceso de fundición está limitado a metales y aleaciones con temperatura de fusión menores a los 2000 C (normalmente menor de 1500 C), por lo que los metales refractarios no son procesados mediante estas técnicas. Wolframio o Tungsteno 3422 C Vanadio 1900 C Piezas de geometría irregular.
Desventajas de la producción de piezas fundidas Porosidad (gases o contracción interna) Fragilidad intrinseca a la microestructura
Factores importantes a ser considerados en la operación de fundición Contracción [en estado líquido, durante la solidificación, en el enfriamiento] Fluidez (viscosidad) del metal líquido durante el vaciado Enfriamiento del metal en el molde (transferencia de calor, esto genera esfuerzos internos). Este parámetro lo determina el material del molde.
Ejemplos de piezas producidas mediante fundición Coronas dentales (en desuso) Joyería Estatuas Estufas de hierro fundido Bloques y cabezas para motores automotrices Bases para máquinas Ruedas para ferrocarril Utensilios de cocina Carcasas para bombas Pistones árbol de levas
Piezas obtenidas por fundición; izquierda piezas de aleaciones de aluminio y en la figura intermedia de hierro gris y en la derecha de acero inoxidable.
Por fundición se pueden producir piezas de decenas de toneladas. Campana Zarina, Kremlin Moscú, Rusia. Fundida en 1733 y con un peso de 216 ton. y una altura de 6.14 m y un diámetro de 6.6 m.
Etapas principales del proceso de fundición.
Para llevar a cabo el proceso se requiere: El molde o matriz Sus materiales Su duración Su producción El metal líquido -Técnicas de fusión utilizadas -Tipo de hornos -Mecanismos de preparación y desgasificación.
La denominación será función de su duración Molde Un vaciado y se destruye Matriz Permite más de una operación Matriz semipermanente Algunas operaciones Matriz permanente más de 1000 vaciados
Para el molde Modelo de la pieza (dimensiones, forma) Madera, aluminio, resinas Molde: Tiene con la forma geométrica requerida Cavidad sobredimensionada compensa contracción De diferentes materiales (Arena, yeso y cerámica) Canales de alimentación (coladas) Mazarotas (compensan la contracción) Las cavidades se producen mediante machos o corazones
Modelo Más grande que la pieza final [Contracción y maquinado] Ángulos mínimos con la dirección de desmoldeo Ángulo de salida (0.5 a 2 ) Si el modelo se extrae en forma líquida o gaseosa no son necesarios ángulos de salida (fundición a la cera pérdida, espuma perdida-lost foam processes).
Modelo Resistentes a la compresión, humedad ó temperatura Puede haber modelos desechables (una sola pieza) Cera pérdida Parafina y polietileno Colada sin cavidad Poliestireno expandido Para varias operaciones Madera, plásticos, Aluminio, Hierro fundido Usualmente se fabrican dos o más semimodelos
Modelos de madera, la zona pintada de negro (platilla) corresponde al apoyo del macho o corazón.
Izquierda: modelo de una válvula de compuerta de 36 ; en el centro se muestra la caja de corazones. Inferior derecha modelo de poliestireno expandido y la correspondiente pieza ya fundida.
Manufactura I Semestre 2017-1 15 de agosto de 2016 Tecnología de la Fundición Modelo placa para proceso Shell, (derecha) Modelo de aluminio para rotor
Molde permanente o matriz Fundición a presión (Pressure die casting) Colada por gravedad en matriz (Die casting) Colada a baja presión (Low pressure die casting)
Matrices, (a) Colada por gravedad, (b) Inyección.
Molde no permanente. a. Compactación de la arena alrededor del modelo. Manual ó mecánica (generalmente por medios automáticos mediante sistemas neumáticos). b. Si la pieza es hueca Machos ó corazones para generar cavidades. Formados y endurecidos se procederá a su colocación, para el posterior cerrado del molde.
Molde no permanente [arena, yeso de cerámista, cáscara cerámica] Enfriamiento lento Desmoldeo Destrucción del molde y extracción de la pieza Se retira la arena Generalmente se recicla Desbarbado Eliminación de conductos (alimentación, mazarota) y rebabas Limpieza Eliminación de restos de arena Acabado La pieza puede ser maquinada o tratada térmicamente
Imagen izquierda; modelo, el corazón de arena y la pieza ya vaciada todavía con sistema de alimentación. Figura derecha; cabeza de un motor diesel.
Métodos de moldeo. Moldeo en arena verde. Elaboración del molde con mezcla de molde [arena + arcillas bentonita-, agua] Se activan por la presencia de humedad Método más empleado y económico Para casi cualquier metal ó aleación No se emplea en el caso de piezas muy grandes o de geometrías complejas Inconvenientes con el acabado superficial y las tolerancias
Moldeo en Arena. El molde consiste en dos mitades: la semicaja ó semimolde superior y la semicaja ó semimolde inferior. Las dos mitades del molde están separadas por el plano de separación. Molde de fundición en arena. Prof.Dr. Armando Ortiz Prado
Sistema de llenado colada (sprue) y alimentadores (gating system) y mazarotas (riser).
Etapas del moldeo en arena en verde mediante un procedimiento manual. Moldeo con Arena en Verde. Emplea una mezcla de moldeo cuyos constituyentes principales son: arena, bentonita y agua. Este proceso se caracteriza por ser el más económico
Moldeo en verde con Moldeadoras Neumáticas. El compactado de la arena se efectúa por percusión-prensado.
Moldeo con arena en verde de piezas de grandes dimensiones. Cuando las piezas son muy grandes, el moldeo se efectúa en foso, para esto se emplean las lanzadoras de arena.
Mezcla de Moldeo. Éstas deben presentar: Plasticidad (Facilidad para reproducir la geometría del modelo), Resistencia Mecánica (capacidad de la arena para conservar la forma de la cavidad) Poder Refractario (Capacidad para soportar el contacto con el metal fundido sin ser sinterizado por éste), Permeabilidad (Capacidad para permitir la salida de del aire y los gases producidos durante el llenado de la pieza) Estabilidad Química y Física (la mezcla no deberá sufrir transformaciones que afecten las dimensiones de la pieza)
Arena sílica (Si0 2 ) es la más común, se pueden llegar a utilizar arenas de zirconio (ZrSi0 4 ), olivinita (Mg 2 Si0 4 ) y cromita (Fe0 - Cr 2 0 3 ). La Arena Sílica es la de empleo general por su costo. Las arenas de zirconio presentan mayor conductividad térmica y no se adhieren a la superficie de la pieza. Tabla 1 Composición típica de una arena para fundición. Composición Arena Sintética % Arena Natural % Si0 2 97.91 78.2 Al 2 0 3 1.13 Fe 2 0 3 0.5 10.12 Ti0 2 0.04 Ca0 0.11 2.4 Mg0 0.02 1.8 K 2 0 0.65 2.1 Na 2 0 0.07 0.2 Pérdidas por 0.21 4.1 combustión
Moldeo en verde; aglomerantes- arcillas, éstas se caracterizan por ser regenerables ya que su fuerza de adhesión se obtiene mediante la adición de agua Caoliníticas (Al 2 0 3-2Si0 2-2H 2 0), montmorilloníticas [bentonitas] (Al 2 0 3-4Si0 2 - H 2 0-nH 2 0), hidromicáceas y poliminerales. Las bentonitas se utilizan tanto para el moldeo en verde como en seco.
a) Efecto de la Humedad en la Resistencia en Verde y en Seco, b) Influencia de la Humedad y del Contenido de Arcillas en la Resistencia en Verde.
Métodos de moldeo. Procesos CO 2 ; arena seca + aglomerante [silicato de sodio Na 2 SiO 3 ] Resinas autofraguantes; polímeros termofijos que se mezclan a la arena, estos endurecen a temperatura ambiente, moldes para piezas de acero. Caja caliente; Resinas de origen orgánico, terminan su polimerización al calentar la mezcla. Se utilizan para corazones. Estos procesos permite fundir piezas con mejor acabado superficial y tolerancias más cerradas. Moldeo en arena seca; En este el molde se seca antes del vaciado. Se incrementa la rigidez del molde. Piezas de mayor tamaño, sin inconvenientes debidos a la presencia de humedad durante el vaciado (bentonita sódica).
Métodos de moldeo. Moldeo en cáscara (Shell molding); Mezcla seca de arena + resina fenólica, ésta se endurece al calentarse a temperaturas entre 200 y 300ºC incrementando sensiblemente su rigidez, todo lo cual permite la producción de moldes (cáscaras) que solamente conllevan el contorno de la pieza. Se aplica para piezas pequeñas y medianas con una alta precisión y un excelente acabado. Yeso de ceramista (plaster mold casting); es usual en aplicaciones odontológicas o artísticas empleando para tal fin procesos como el de la cera pérdida.
Molde en yeso ya terminado, derecha piezas en aluminio producidas por este método.
MOLDEO EN ARENA EMPLEADO COMO AGLUTINANTE SILICATO DE SODIO (PROCESO CO 2 ). Para obtener la resistencia en el molde es necesario hacer pasar una corriente de gas carbónico [CO 2 ] a través de la arena. Silicato de sodio (Na 2 Si0 3.nH 2 0). El paso de C0 2 a través de la mezcla o por calor se producen una serie de reacciones químicas que dan lugar a la formación de una gel sílice que actúa como puente entre los granos de arena, la reacción general se representa por: Na 2 Si0 3 + CO 2 Na 2 CO 3 + Si0 2 Para reducir los costos se puede tan solo utilizar una capa que recubra al modelo y el resto se rellena con arena en verde.
El proceso C0 2 se emplea más en la producción de corazones. Mayor precisión dimensional. Mejor acabado. Máquina Sopladora de Corazones. Geometrías o detalles más complejos. Su principal desventaja radica en el costo de las resinas y en el reciclaje de la arena.
Moldeo en caja caliente. Producción de corazones, su principal ventaja sobre el de cáscara reside en la mayor velocidad de producción. Resinas líquidas sintéticas, que al reaccionar con un catalizador a la temperatura adecuada, produce una cáscara de resistencia suficiente para que resista el peso del corazón, permitiendo así su maniobra sin que se rompa. La reacción que se produce para lograr el endurecimiento es: Resina líquida + catalizador + calor resina sólida + agua
Constituyentes de las resinas para el proceso de caja caliente. Constituyente Composición Química Fenol C 6 H 5 OH Formaldehído CH 2 = 0 Urea 0 = C (NH) 2 Alcohol furfural
Moldeo en cáscara (Shell).
Corazones producidos por diferentes técnicas, ya durante su ensamble.
Máquina sopladora de corazones de caja caliente
Izquierda vaciado de aluminio en moldes de arena en verde. Derecha, compactado de la arena alrededor del modelo, con auxilio de una pisoneta neumática
Vaciado de los moldes en un carrusel.
Colada en matriz. Se caracteriza por el empleo de moldes metálicos (matrices) producidos en hierro gris o acero. Este tipo de proceso se emplea para lotes grandes de producción de piezas medianas cuya geometría permite su llenado por acción exclusiva de las fuerzas de gravedad (por ejemplo pistones automotrices).
Fundición a presión ó inyección de metales: Piezas medianas y pequeñas (desde unos gramos hasta unos 50 Kg). Metales y aleaciones de bajo punto de fusión (generalmente menor a 650 C; aleaciones de aluminio y de zinc). Geometrías complejas y espesores pequeños (del orden de unos cuantos mm) Cavidades simples [los corazones son de acero] Lotes de producción muy grandes (mínimo del orden de unas 10000 piezas). Se caracteriza por su reducido costo de operación, aunado a excelentes acabados y tolerancias cerradas.
Máquina para inyección de metales, Descripción esquemática del proceso.
Fundición prensada (squeeze casting) Desarrollada en la segunda mitad del siglo XX (hacia 1960) Involucra la solidificación del metal bajo alta presión; combina forja con colada, afinando la microestructura y obteniendo mejores propiedades mecánicas. a). Descripción esquemática, b) Piezas producidas por squeeze casting.
Fundición a baja presión (low pressure casting); Moldes de grafito o también matrices metálicas. El llenado es en flujo laminar por la parte inferior del molde, La presión necesaria para que el metal ascienda y llene el molde se aplica a través de un gas inerte. La microestructura obtenida garantiza excelentes propiedades mecánicas. Este proceso se puede emplear tanto para los blocks de motor como para las ruedas.
Fundición a baja presión (low pressure casting).
Centrifugado y semicentrifugado: Llenado del molde por la acción de las fuerzas generadas por la rotación de éste. Estos permiten la obtención de piezas sanas (eliminación de defectos) y la disminución o en su caso la eliminación de conductos de llenado y mazarotas. Centrifugado Eliminación de corazones o machos Semicentrifugado Eliminación de mazarotas o alimentaciones
Centrifugado. a) en eje horizontal; b) Máquina para centrifugado vertical.
Centrifugado. P 2 a R F ma N A l m Pieza sólida. m s 2 2 2 2 2 l R F m R 4 P A l l 2 2 2 l R F m R 4 P A l l 2 2 R 2R R 1 2 P R 4 4 2
Centrifugado. 2 2 N 2 2 P Rext Rint 1800 1 2 2 2 P Rext Rint 2 Factor de centrifugado ( G) G G R g Pieza hueca. v Rg 2 2 2 NR 60 Rg 2 2 2 N R 900g donde R radio de la pieza g aceleración de la gravedad densidad N revoluciones por minuto velocidad angular
Procesos de fundición Molde No permanente Molde Permanente Modelo permanente Modelo no permanente Espuma pérdida Molde Metálico Moldeo en arena Arcillas Moldeo en cerámicas En yeso de ceramista Cera pérdida Por gravedad Baja presión Fundición a presión Silicatos Resinas C erámicos Al vacío