REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA
INSTITUTO UNIVERSITARIO
POLITÉCNICO
“SANTIAGO MARIÑO”
EXTENSIÓN MARACAY
ESCUELA DE MANTENIMIENTO
MECANICO
PROCESOS DE FUNDICIÓN
Autor:
Guillermo Flores
C.I. 19.608.444
Fundición es uno de los procesos más antiguos y usados por el hombre, consiste en el vertido de un metal derretido a un molde para que este tome forma de la cavidad, los moldes más usados y responsable de la mayoría de fundiciones el molde de arena.
Estos molde de arena son realizados
con la compresión de dos tapas contra un modelo de la pieza que se quiere
obtener, estas dos tapas reciben el nombre de marco superior y marco inferior,
estas juntas son la caja de moldeo, estos moldes consta de tres partes, un
bebedero, un conducto de alimentación y la cavidad.
El procesos de la fundición consta de tres momentos
distintos, el primero corresponde al vertido, para el vertido se debe tener el
metal en forma líquida, esto requiere elevar su temperatura sobre el punto de
fusión, al momento de elevar su temperatura se requiere un cantidad de energía
calculable que resulta de la suma de tres tipos de calores, calor para llegar
al punto de fusión, calor de fusión para transformarlo de solido a liquido y el
calor para poner el metal en la temperatura de vertido deseada, eso se expresa:
H=pV[Cs(Tm
– T0) + Hf
+ Cl(Tp – Tm)]
El segundo momento es la solidifacion, este momento consta
desde el momento que se llena el molde hasta cuando este metal derretido se
transforma a solido y toma la forma de la cavidad, en este segundo momento de solidificación se debe tener en
cuenta la contracción del material, en una fundición el material sufre dos
contracciones, la primera contracción por solidificación y la segunda
contracción térmica del sólido, los moldes se deben diseñar para resistir estas
tensiones.
Esta solidificación ocurre diferente en metales puros,
aleaciones y aleaciones eutécticas. Los metales puros solidifican a un
temperatura constate debido a que un solo material, este tiene un estructura
granular distinta, debido a la acción enfriadora del molde se enfría mas rápido
en la superficie creando granos más finos y con orientación aleatoria y un
crecimiento dendrítico hacia el centro, en las aleaciones al ser compuesto de
dos materiales o más, no tiene una temperatura de solidificación constante,
esta para solidificar tiene que pasar por el intervalo de liquido y solido,
que este presente una segregación de los componentes en el centro de la pieza, esto
se debe a que uno de los dos materiales posee un punto de fusión más alto, por
ende se solidificara primero agotando este material y dejado poco para el resto
de la pieza.
Las pieza con zonas de gran volumen suele tener dificultades
en la solidificación debido a la contracción, estén suelen necesitar más masa
para su solidifacion, para evitar que están zonas dejen sin suministros a otras
de menor volumen se usa una mazarota, la mazarota es un suministro de metal
derretido por fuera de la cavidad que se encarga de permanecer más tiempo en
estado liquido para fluir hasta donde el material lo necesite.
Fundición de metales
Los procesos de fundición se
dividen en dos categorías, moldes permanentes y moldes desechables, en los
procesos con moldes desechables este debe destruirse para retirar la pieza
mientras que para los moldes permanentes se retirar la pieza sin destruir el
molde y se emplea nuevamente para una nueva fundición.
1. Fundición en arena
El proceso de fundición en arena
es el responsable de la gran parte de los fundidos, ya que es de los pocos
procesos que pueden usarse para tratar metales con alta punto de fusión, como
el níquel o el titanio, este proceso permite hacer fundiciones pequeñas y muy
grandes.
La fundición en arena consiste en
el vertido del metal derretido a un molde para que este al momento de
solidificarse tome la forma de la cavidad, para luego romper el molde y retirar
la pieza, este molde cuenta con un sistema de paso y un bebedero, estos molde
se realizan con la compresión de la arena alrededor de un modelo.
Secuencia de las etapas de la producción en la fundición con arena. Se incluye no sólo la operación de fundición sino también la fabricación del modelo y la fabricación del molde.
Pieza grande fundida con arena, pesamás de 680 kg (1 500 lb),para la estructura de un
compresor de aire.
compresor de aire.
1.1 Modelos y nucleó
Un modelo es
un patrón de la pieza, los materiales en que se puede hacer el modelo son
metal, plástico o madera. Hay tres tipos de modelo: Modelo solido su forma es igual que el fundido y su tamaño esta
ajustado a la contracción por solidificación y el maquinado. Es un modelo fácil
de fabricar mas de usar en fundiciones de arena. 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.
Si el
fundido va a tener superficies internas es necesario tener núcleos, los cuales
son puestos en el interior del molde antes de hacer un vertido. En algunas
ocasiones los núcleos necesitan coronas que son los soportes para el nucleó.
Tipos de modelos que se emplean en la fundición con moldes de arena: a) sólido, b) de deslizamiento, c) de placas ajustadas y d) de capucha y base.
a) Núcleo mantenido en su sitio dentro de la cavidad del molde por medio de coronas, b) diseño posible de las coronas, c) fundido con cavidad interna.
1.2 Moldes y su fabricación
La arena de
fundición es sílice o sílice mezclado con otros minerales. Es importante que la
arena tenga propiedades refractarias y es preferible que los granos sean irregulares
que redondos. Al hacer el molde los granos se mantienen unidos por una mezcla
de agua y arcilla de adhesiva. Para la fabricación de moldes se compacta la
arena alrededor del moldeo para la capucha y base en una caja de moldeo. Se
determina la calidad del molde con los siguiente indicadores: la resistencia,
presentar, estabilidad térmica, colapsabilidad y reutilización.
Hay dos
clasificaciones para los moldes de arena
1. Moldes de arena verde: están
elaborados con arcilla, agua y arena. Se les llama verdes porque son húmedos.
tienen resistentes una buena colapsabilidad, son permeables y posibilidad de
rehusó.
2. Molde de arena seca: esta hecho
aglutinante orgánico, se cuece en un horno a altas temperaturas esto le da
resistencia y endurece la superficie de la cavidad. Estos producen mejor
acabado superficial.
1.3 La operación de fundición
Cuando el molde
está listo y el nucleó está en su sitio se procede a hacer el vertido, la
solidificación y el enfriamiento. En el diseño se debe tener en cuenta como se
escaparan los gases y aire. Se tiene que tener especial cuidado con que la
flotación inducida por el metal fundido no desplace al nucleó.
2. Otros procesos de fundición con
moldes desechables
A continuación se nombraran
los moldes desechables más importantes en el proceso de fundición.
2.1 Moldeo en cascaron
o concha
El molde es un cascaron delgado hecho de arena
y que se mantiene unido por medio de un aglutinante de resina termo fija. Una
de las ventajas es que el fluido es más fácil durante el vertido del metal
líquido un mejor acabado superficial. La desventaja de este proceso es que sus
precios para producciones bajas son muy elevados y no aguanta mucho peso.
2.2 Moldeo al vacio
Este proceso es originario de Japón. La arena no emplea un
aglutinante químico si no que se mantiene unida por medio de una presión de
vacío. Algunas de las ventajas de este proceso es que la arena tiene una alta
reutilización, la arena no requiere un reacondicionamiento mecánico y los
productos no tienen defectos por
humedad. Las desventajas de este proceso es que es relativamente lento y que no
se adapta fácilmente a la mecanización.
Etapas del moldeo en cascarón: 1) se calienta una placa de ajuste o de capucha y base, y se coloca sobre una caja que contiene arena mezclada con alguna resina termofija; 2) se invierte la caja de modo que la arena y la resina caigan sobre el modelo caliente, lo que ocasiona que una capa de la mezcla se cure parcialmente sobre la superficie y forme una concha dura; 3) la caja vuelve a su posición original de modo que caigan las partículas sueltas que no resultaron curadas; 4) el cascarón de arena se calienta en un horno durante varios minutos, a fin de completar el curado; 5) el molde en cascarón se separa del modelo; 6) se ensamblan dos mitades del molde en cascarón, apoyadas en dosis de arena o metal en el interior de una caja; y se realiza el vertido. Se retira el fundido terminado, con el bebedero removido, como se aprecia en el 7) de la figura.
2.3 Proceso de
poliestireno expandido
Este proceso también se conoce como espuma perdida ya que usa
un molde de arena compacta alrededor de un modelo de espuma de poliuretano que
se evaporiza cuando el metal fundido se vierte en el molde. La desventaja en
este proceso es que cada fundición requiere un nuevo modelo.
Etapas del moldeo al vacío: 1) Se precalienta una película delgada de plástico y se coloca sobre una placa de ensamble o modelo de capucha y base por medio de vacío; el modelo tiene agujeros de ventilación pequeños para facilitar la formación del vacío; 2) sobre la placa del modelo se coloca una caja de moldeo de diseño especial y se llena con arena, en la que se forma un bebedero y embudo de vertido; 3) sobre la caja de moldeo se pone otra película de plástico delgada y se induce un vacío que hace que los granos de arena permanezcan unidos, lo que forma un molde rígido; 4) el vacío sobre el modelo del molde se libera para permitir que éste salga del molde; 5) este molde se ensambla con su mitad correspondiente para formar la capucha y base, y manteniendo el vacío sobre ambas mitades se hace el vertido. La película de plástico se quema con rapidez al contacto del metal fundido. Después de la solidificación, se recupera casi toda la arena para volver a emplearla.
Proceso de fundición con poliestireno expandido: 1) el modelo de poliestireno se recubre con un compuesto refractario; 2) el modelo de espuma se coloca en la caja del molde, y alrededor de él se compacta arena; 3) se vierte metal fundido en la porción del patrón que constituye el embudo y el bebedero del vertido. Conforme el metal ingresa al molde, la espuma de poliestireno se vaporiza al contacto con el líquido, lo que permite que se llene la cavidad del molde.
2.4 Fundición por
revestimiento
Se elabora un modelo de cera y se recubre con un material
refractario para formar el molde, antes de verter el metal fundido se derrite
la cera. Las ventajas son que escapas de generar fundidos de gran exactitud
posible fundir piezas de gran complejidad y detalle, se puede tener mucho
control dimensional, se obtiene buen acabado superficial, la cera se recupera y
no requiere maquinado adicional. La desventaja es que es un proceso muy caro.
Etapas de la fundición por revestimiento: 1) se producen los modelosde cera; 2) se unen varios modelos a un bebedero para formar un árbol con ellos; 3) el árbol de modelos se recubre con una capa delgada de material refractario; 4) se forma el molde con el árbol recubierto con material refractario suficiente para volverlo rígido; 5) se mantiene el molde en posición invertida y se calienta para fundir la cera y permitir que salga de la cavidad; 6) el molde se precalienta a temperatura elevada, lo que garantiza que todos los contaminantes del molde se eliminen; eso también permite que el metal líquido fluya con más facilidad dentro de la cavidad detallada; se vierte el metal fundido; se solidifica; y 7) se rompe el molde del fundido terminado. Se separan las partes del bebedero.
Etapas de la fundición por revestimiento: 1) se producen los modelosde cera; 2) se unen varios modelos a un bebedero para formar un árbol con ellos; 3) el árbol de modelos se recubre con una capa delgada de material refractario; 4) se forma el molde con el árbol recubierto con material refractario suficiente para volverlo rígido; 5) se mantiene el molde en posición invertida y se calienta para fundir la cera y permitir que salga de la cavidad; 6) el molde se precalienta a temperatura elevada, lo que garantiza que todos los contaminantes del molde se eliminen; eso también permite que el metal líquido fluya con más facilidad dentro de la cavidad detallada; se vierte el metal fundido; se solidifica; y 7) se rompe el molde del fundido terminado. Se separan las partes del bebedero.
2.5 Fundición con moldes
de yeso y cerámicos
La fundición en yeso es parecida a la de arena pero hecho con
yeso de Paris. Se le puede echar talco y polvo para controlar la contracción y
el tiempo de preparación, reducir el agrietamiento y aumentar la resistencia. Se
prepara una mezcla con el yeso se vierte sobre un modelo de metal o plástico y
se deja reposar. Las ventajas son que captura detalles y acabados de la
superficie, exactitud dimensional y la capacidad de fabricar fundidos de
sección transversal delgada. Las desventajas son que el yeso no es permeable y
es húmedo y no resiste temperaturas muy altas. Se utiliza para fabricar
turbinas y bombas.
El fundido con moldes cerámicos es muy similar al de yeso la
diferencia es que resiste altas temperaturas.
3. Procesos de
fundición con moldes permanentes
En la fundición con molde permanente el molde se puede
utilizar varias veces.
3.1 El proceso básico
con moldes permanentes
Un molde permanente consta de un molde de metal (acero para
herramientas) construido con dos secciones diseñadas para la apertura y el
cierre sencillo. En este proceso no se puede trabajar con metales de puntos de
fusión muy altos debido a que está limitado por el punto de fusión en que está
hecho el molde. Primero se calienta el molde y se rocía uno o más
recubrimientos sobre la cavidad, se echa el metal fundido en la cavidad y por
último se retira. Este procedimiento deja buen acabado superficial, buen
control dimensional y fundido más
fuerte. Es para producciones altas ya que tiene un elevado valor de inversión.
Hay diferente 3 tipos de
fundiciones con moldes permanentes
· Fundición
en hueco: se forma por medio de la inversión del molde después de la
solidificación parcial de la superficie a fin de drenar el metal líquido del
centro. Es importante la apariencia exterior, pero la resistencia y la forma
interior del fluido son consideraciones menores. Son útiles para hacer
estatuas.
· Fundición
a baja presión: el metal líquido se fuerza a pasar a la cavidad sujeto a baja
presión desde abajo por lo que fluye opuesto a la gravedad. Se introduce metal
limpio por eso se minimizan los defectos por porosidad, gas y oxidación y
mejora las propiedades mecánicas.
Fundición a baja presión. El diagrama muestra el uso de la presión baja del aire para
forzar al metal fundido en el recipiente a que pase a la cavidad del molde. La presión se mantiene hasta que el fundido se hasolidificado.
forzar al metal fundido en el recipiente a que pase a la cavidad del molde. La presión se mantiene hasta que el fundido se hasolidificado.
· Fundición
al vacio: es parecida a la que se usa baja presión para impulsar el fluido
hacia la cavidad. La diferencia está en que se utiliza la presión reducida del
aire desde el vacio del molde para llevar metal líquido hacia la cavidad.
3.2 Fundición con troquel
Se inyecta a presión elevada metal fundido a la cavidad del
molde. La presión se mantiene durante la
solidificación después se retira la pieza.
Existen dos tipos de cámaras para este proceso Cámara caliente,
en donde el metal se derrite en un contenedor que tienen en la maquina y se
inyecta metal a alta presión en el troquel. Sirve para producciones elevadas de
piezas ya que son muy rápidas, alrededor de 500 piezas se fabrican por hora.
Los metales que se trabajan acá tienen un punto bajo de fusión. Cámara fría, la
cámara en la que se mete el metal derretido no está caliente y el metal se
derrite en un contenedor externo y se emplea alta presión para inyectarlo. Sirve
para producciones elevadas aunque la cámara en frio es más lenta que la
caliente.
Configuración general de una máquina de fundición con troquel (cámara fría).
Ciclo de la fundición con cámara caliente: 1) con troquel cerrado y pistón fuera, el metal derretido fluye a la cámara; 2) el pistón fuerza al metal a fluir hacia la cámara para que pase al troquel, manteniendo la presión durante el enfriamiento y solidificación; y 3) se retira el pistón, se abre el troquel y se expulsa la pieza solidificada. En el inciso 4 se ilustra el elemento terminado.
Ciclo de fundición con cámara fría: 1) con troquel cerrado y martinete retirado, el metal fundido se vierte a la cámara; 2) el martinete fuerza al metal a fluir en el troquel, manteniendo la presión durante el enfriamiento y solidificación; y 3) se retira el martinete, el troquel se abre y la pieza es expulsada. (El sistema de paso está simplificado).
Gira a gran velocidad de modo que la fuerza centrifuga
distribuye el metal derretido a las regiones externas de la cavidad del
troquel. Hay tres tipos:
Fundición centrifuga real: se vierte metal fundido a un molde
rotatorio para producir una pieza tabular, este procedimiento se usa para
fabricar tuberías. La orientación del eje de rotación puede ser vertical u
horizontal.
Arreglo para la fundición centrífuga real.
Fundición semicentrifugada: se emplea con frecuencia para
piezas solidas en las que el centro de la fundición se maquina como las ruedas
y poleas.
Fundición semicentrífuga
Fundición centrifugada: el molde esta diseñado con las
cavidades de la pieza localizada hacia afuera del eje de rotación de modo que
el metal vertido en el molde se distribuya hacia ellos por medio de la fuerza
centrifuga.
a) Fundición centrífugada, la fuerza centrífuga ocasiona que el metal fluya a las cavidades
del molde, a partir del eje de rotación y b) el fundido.
del molde, a partir del eje de rotación y b) el fundido.
4. La practica de la fundición
4.1 Hornos
Hay 5 tipos de hornos que son los más empleados
Cubilotes: es un horno cilíndrico en posición vertical que tiene
un canal de paso integrado cerca de su base, estos hornos pueden fundir metales
con alto punto de fusión y son muy usados para derretir hierro colado.
Un Cubilote se usa para obtener hierro colado. El horno que se muestra es común para una fundidora pequeña y se omiten los detalles del sistema de control de emisiones que se requiere para un cubilote moderno.
Hornos de combustible directo: en un horno abierto pequeño se
calienta el metal por medio de quemadores de combustible ubicados en cualquiera
de sus dos lados. El techo de sus hornos ayuda en la acción de calentar por
medio de reflejar la llama hacia abajo contra la carga. En la parte inferior
hay un agujero por el que se extrae el metal fundido. En lo general se usa para
metales no ferrosos.
Crisoles: funden el metal sin contacto directo con una mezcla
de combustibles, son utilizados con metales con bajo punto de fusión. Hay tres
tipos:
a) Crisol
móvil: este crisol cumple con la función de contenedor y vertedero ya que se
coloca en un horno y se calienta hasta derretir la carga de metal después de
esto se eleva del horno y se vierte directamente.
b) Crisol Estacionario: este es horno y contenedor al
mismo tiempo, se derrite el metal directamente y se vierte por medio de un
cucharon externo.
c) Crisol de volteo: es horno y después de que el metal este en estado liquido se rota y vierte.
c) Crisol de volteo: es horno y después de que el metal este en estado liquido se rota y vierte.
Distintos tipos de crisoles: a) crisol móvil, b) crisol estacionario y c) crisol de volteo.
Hornos de arco eléctricos: el metal se funde por el calor
generado por un arco eléctrico. Su consumo de energía es alto y su mayor
utilidad son en los metales con un alto punto de fusión. Su precio es bastante
elevado por lo que solo se justifica para producciones altas.
Hornos de inducción: utiliza corriente alterna que pasa a
través de una bombina para desarrollar un campo magnético en el metal. Metales
fundidos de calidad y pureza alta.
Horno de inducción.
4.2 Vertido limpieza y
tratamiento térmico
Se toman medidas para impedir la entrada de los óxidos, se
usan filtros para capturar los óxidos y otras impurezas durante el vertido. Se
utilizan unos cuencos los cuales sirven para cubrir el metal derretido y retardan
la fundición de este.
Se usan dos tipos comunes de cuencos: a) cuento de grúa y b) cuenco para dos hombres.
Después de que la solidificación halla tomado cabida se hacen
una serie de pasos para que la pieza quede totalmente terminada y limpia estos
pasos pueden ser 6 dependiendo el caso a tratar estos son recorte, retirar el
núcleo, limpiar superficies, inspeccionar, reparar y tratamiento térmico.
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