Tema 2.1. Introducción a la fundición.pdf
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1. Concepto de conformado por moldeo El conformado por moldeo (fundición o colada) es un proceso basado en la fusión de metales y la posterior colada de estos en un hueco o molde que reproduce la forma de la pieza que se desea obtener, sucediéndose a continuación la solidificación en el enf...
1. Concepto de conformado por moldeo El conformado por moldeo (fundición o colada) es un proceso basado en la fusión de metales y la posterior colada de estos en un hueco o molde que reproduce la forma de la pieza que se desea obtener, sucediéndose a continuación la solidificación en el enfriamiento 3 1. Concepto de conformado por moldeo El moldeo es uno de los más antiguos procesos de conformado, que se remonta 4.000 años atrás. 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 A priori, el principio de la fundición es sencillo: 1) Se funde el metal 2) Se vierte en un molde 3) Se deja enfriar 4) Se extrae la pieza Sin embargo, hay que considerar una gran cantidad de variables La fundición incluye la fundición de lingotes y la fundición de formas 4 1. Concepto de conformado por moldeo VENTAJAS: LIMITACIONES: Facilidad y economía en la fabricación de piezas En general, pobres propiedades complicadas (bloques de cilindros, culatas, mecánicas Pueden aparecer porosidades bancadas, etc.) y defectos metalográficos en la solidificación Para piezas grandes y pequeñas Tolerancias no estrechas y acabados Para series grandes o cortas pobres Requieren otras operaciones de Piezas finales o casi finales acabado Empleo de metales y aleaciones no aptos para Riesgos laborales para trabajadores conformado por deformación o soldadura Problemas ambientales En general, proceso económico 5 2. Materiales para fundición ALEACIONES PARA FUNDICIÓN Fundiciones blancas Fundiciones ordinarias: Fundiciones grises Fe; C; Si; Mn; P; S Fundiciones atruchadas FÉRREAS Fundiciones aleadas Cr, Ni, Cu, Mo, V Fundiciones especiales Aceros Bronces: Cu y Sn Aleaciones de cobre Bronces de aluminio Latones NO FÉRREAS Aleaciones de aluminio Aleaciones ligeras Aleaciones de magnesio Aleaciones de zinc Aleaciones anfitrión: Sn, Sb y Cu 6 2. Materiales para fundición Temperaturas de fusión de algunos metales y aleaciones metálicas 7 2. Materiales para fundición La Fluidez determinará la idoneidad de un material para ser utilizado: Es una medida de la capacidad del metal para llenar el molde antes de enfriarse. La fluidez es inversa a la viscosidad Existen métodos de ensayo para valorar la fluidez, como el molde espiral Los factores que afectan la fluidez: Temperatura de vaciado Composición del metal Mecanismos de solidificación Propiedades del metal líquido Calor transferido a los alrededores 8 3. Hornos de fusión El horno de fusión es el elemento encargado proporcionar al metal el calor necesario para fundirlo y recalentarlo hasta que adquiera la fluidez necesaria para moldear Hay distintos tipos de hornos: Alto horno o cubilote Horno de crisol Horno de reverbero Horno de arco eléctrico Horno de inducción Convertidores La elección de uno u otro horno dependerá de: Aleación a fundir (Punto de fusión) Tipo de vaciado o de llenado del molde Capacidad del horno (tamaño) Costes del horno (piezas/lote) Costes de mantenimiento y funcionamiento 9 3. Hornos de fusión: Alto horno o cubilote Horno de fusión más antiguo Horno cilíndrico vertical Utilizado solamente en la fundición del hierro Consume combustible sólido coque La carga metálica, el combustible y el carburante están en contacto Producto Arrabio Hierro colado baja calidad (cenizas, óxidos) Alto rendimiento: Producción diaria 1500 T (hornos pequeños) hasta 10.000 T (hornos más grandes) Muy contaminantes 10 3. Hornos de fusión: Alto horno o cubilote Reacciones: Funcionamiento Coque encendido + Aire Calor + CO (gas reductor) Mineral + CO + Calor Arrabio + CO2 (gas salida) Ganga + Fundente (caliza) + Calor Escorias (silicatos) Carga: alternativamente capas de Mineral Coque + Fundente (caliza) Salida de gases y 4 o 5 pares hasta llegar a la altura de la boca de carga reutilización para el calentamiento Oxidación del metal + impurezas Escoria ácida y viscosa Se añade caliza neutralizarla y hacerla más viscosa Se recoge por encima del metal Aire caliente insuflado por las fundido (menor densidad) toberas Combustión del coque Aumento de Tª Fusión del metal Carga de coque para formar la cama (hasta la altura de las toberas) Metal fundido cae a gotas a través del coque y se recoge por la Encendido parte inferior Arrabio 11 3. Hornos de fusión: Hornos de crisol El metal se funde en un crisol sin estar en contacto con el combustible ni otra atmosfera Se usan principalmente para fundir metales no ferrosos Consume aceite, gas o carbón Tipos: Fijos o de foso (extracción con cuchara) y basculantes (extracción por vuelco) 12 3. Hornos de fusión: Hornos de reverbero Hornos de poca altura y gran longitud que calientan por convección (llama y gases) y radiación (bóveda y paredes) Se emplean principalmente para para fundir aleaciones no férreas (cobre y aluminio) Martin-Siemens 13 3. Hornos de fusión: Hornos de reverbero Hornos rotatorios Se puede considerar como un tipo de reverbero Durante la fusión el horno oscila o gira completamente Aumentan el rendimiento térmico – menos tiempo de fusión Mezcla más homogénea 14 3. Hornos de fusión: Hornos de arco eléctrico El material se funde con el calor generado por un arco eléctrico Uso fundición de acero Alto consumo Necesidad de altas tasas de fusión para que sean rentables Por arco directo y por arco indirecto Arco directo Arco indirecto 15 3. Hornos de fusión: Hornos de arco eléctrico Están formados por un gran recipiente cilíndrico de chapa gruesa (15 - 30 mm) forrada de material refractario De bóveda fija cargan por puertas en las paredes De bóveda desplazable permiten cargar por la parte superior Los electrodos se desplazan verticalmente y pueden alcanzar los 700 mm de diámetro 16 3. Hornos de fusión: Hornos de inducción Usa un campo magnético generado con una bobina para inducir una corriente y calentar el material y fundirlo Óptimo para controlar el ambiente del material Fundición de alta pureza 17 3. Hornos de fusión: Convertidores Proceso de obtención del acero Es preciso eliminar todas las impurezas que se encuentran en arrabio o chatarra Controlar los contenidos de los elementos que influyen en las propiedades de los distintos tipos de aceros Las reacciones químicas que se producen durante el proceso requieren altas temperaturas (>1000ºC), para eliminar elementos indeseables trasladándolos a la escoria o en forma gaseosa Todos los procesos de fabricación de acero necesitan aporte de energía En los antiguos hornos de reverbero o Martín-Siemens En convertidores, insuflando aire por el fondo (procesos Bessemer y Thomas, en desuso) En convertidores, inyectando oxígeno puro por la boca (procesos LD y similares) En hornos eléctricos de arco o inducción 18 3. Hornos de fusión: Convertidores Proceso de obtención del acero 19 3. Hornos de fusión: Convertidores Hornos convertidores “Horno” para la obtención de acero Fases del proceso: Carga: chatarra (20%) y arrabio líquido Soplado y afino: Insuflando Aire por el fondo (convetidores Bessemer y Thomas) Oxígeno puro (convertidores LD y otros) Colada Tamaños: Puede oscilar entre las 45-250 t 20 3. Hornos de fusión: Convertidores Convertidores Bessemer Horno giratorio de cuello ancho Aire inyectado 21 3. Hornos de fusión: Convertidores Convertidores LD Toma su nombre de las ciudades austriacas Linz y Donavitz (se utilizó por primera vez) Fase de carga: chatarra y arrabio. Fase de soplado y afino: Inyectan oxígeno a presión (10 a 14 atm) a través de un tubo refrigerado (lanza) Se adiciona la cal y a veces magnesita y espato de flúor para obtener la escoria adecuada Fase de colada: Terminado el afino se corta el oxígeno, se espera unos minutos para homogenizar el metal y se vuelca sobre la cuchara El proceso en un convertidor LD de 150 t puede oscilar entre 45 y 55 minutos 22 4. Mecanismos de solidificación La composición del metal determina, además de los mecanismos de solidificación, el calor de fusión (cantidad de calor requerida para que el metal pase del estado líquido al sólido) Un mayor calor de fusión tiende a incrementar la medida de la fluidez en la fundición 23 4. Mecanismos de solidificación CONTRACCIONES VOLUMÉTRICAS Masa de acero fundido de 0,15% C que se enfría y solidifica 24 4. Mecanismos de solidificación Problemas asociados a la contracción Al disminuir la temperatura, los materiales se contraen dimensionalmente Durante la fase de diseño es necesario tener en cuenta las contracciones para sobre-dimensionar la cavidad del molde. De otra forma la contracción provocará una pieza fuera de tolerancias FASE 1. Contracción en FASE 2. Contracción durante FASE 3. Contracción FASE 0. Vertido la fase liquida la solidificación en la fase sólida 25 4. Mecanismos de solidificación El proceso de solidificación involucra el paso del material fundido a sólido La forma de cómo se produce difiere si el material es un metal puro o una aleación Metales puros El metal puro solidifica a una temperatura constante, el cambio de estado se produce en el punto de fusión Solidificación de fuera hacia dentro, con posibilidad de aparición de dendritas por enfriamiento rápido La concentración de la aleación en el frente de solidificación será distinta de la concentración promedio en el sistema 26 4. Mecanismos de solidificación Aleaciones Las aleaciones solidifican en un intervalo de temperatura y no a temperatura constante. El rango dependerá de la aleación y su composición Inicio solidificación: Película de granos equiaxiales en las paredes del molde Solidificación intermedia: Coexistencia de líquido y dendritas Solidificación final: Granos equiaxiales 27 5. Elementos básicos del proceso de moldeo Pieza Modelo (Reproducción fiel Molde (negativo de la pieza) o casi fiel de la pieza final) Machos Materialización de Cajas de Machos huecos en negativo Fabricación de machos para moldes perdidos Cajas de moldeo (moldeo en arena) 28 5. Elementos básicos del proceso de moldeo Cubilote o crisol Bebederos y mazarotas Canales de colada Horno 29 6. El modelo Es el prototipo de la pieza que se desea fabricar, modificada atendiendo al proceso. Sirven para confeccionar el molde Deben contener las características dimensionales de la pieza Habrá que tener en cuenta el proceso y las consideraciones de diseño del tipo de proceso (contracciones, ángulos de desmoldeo, etc…) En general, para minimizar los defectos posibles habrá que estudiar el diseño de la pieza El material en el que se fabrica el modelo dependerá del tipo de proceso Pieza Modelo fundida Molde 30 6. El modelo Clasificación de los modelos Enterizos Al natural Tipos de modelos y cajas Divididos Completos Enterizos Con machos de machos Divididos De esqueleto Terrajas Simplificados o reducidos Plantillas de traslación Plantillas de forma Perecederos o perdidos (generalmente enterizos) Modelos desechables: Cera y poliestireno Modelos recuperables: Madera, plástico, metal 31 6. El modelo Clasificación de los modelos Modelo externo o modelo propiamente dicho Naturales Enteros Partidos Simplificados Esqueletos Armazón Plantilla Modelos internos 32 6. El modelo Clasificación de los modelos Modelos externos o modelos propiamente dicho Naturales Enteros Partidos Simplificados Esqueletos Armazón Plantilla Modelos internos 33 5. El modelo Clasificación de los modelos Modelos externos Naturales Enteros Partidos Simplificados Esqueletos Armazón Plantilla Modelos internos a) pieza de fundición, b) modelo, c) caja de noyos, d) macho. Cierre de molde con macho 34 5. El modelo Clasificación de los modelos Placas modelo: Sencillas (las dos mitades en la misma cara de la placa) Reversibles (las dos mitades en caras opuestas) Doble Placa (cada mitad en una placa) 6. El modelo MODELOS DESECHABLES VS. MODELOS PERMANENTES Ventajas Inconvenientes El proceso requiere menos tiempo. Modelo destruido en el proceso No se necesitan tolerancias Modelos delicados de manipular especiales para extracción No puede ser revisado el modelo El acabado uniforme y bueno de la cavidad No se requiere de modelos complejos No se requieren machos 36 6. El modelo Factores a considerar en el diseño de los modelos 1. Facilidad de desmodelado 2. Contracción del material de la pieza al solidificar 3. Creces para el mecanizado de aquellas superficies en que se precise 4. Posibilidad de evitar la aparición de deformaciones durante el enfriamiento de la pieza 37 6. El modelo Factores a considerar en el diseño de los modelos FACILIDAD DE DESMODELADO molde desmontable (dos o más partes) ángulos de salida (tabulados en función del tipo de material) Modelo desmontable 38 6. El modelo Factores a considerar en el diseño de los modelos CONTRACCIÓN Al enfriarse el metal se contrae < dimensión que el molde El modelo se habrá de realizar algo mayor que el original. 39 6. El modelo Factores a considerar en el diseño de los modelos CRECES DE MECANIZADO Para poder mecanizar se añade un exceso de material creces de sobremedida Mecanizado del espesor suplementario DEFORMACIONES 40 7. El molde Es el elemento que tiene en su interior la cavidad con la forma de la pieza que se desea obtener. El molde debe estar ajustado para compensar la posible contracción del material durante la solidificación. Se fabrica de distintos materiales en función del proceso: Arena, yeso, cerámica o metal. Para prevenir defectos, se suele calentar antes de hacer la colada. Pueden ser abiertos y cerrados. El molde abierto sólo se utiliza para lingotes Pueden ser permanentes (coquilla) o desechables (arena, cerámica…) 41 7. El molde Molde desechable (arena) Molde desechable (cerámico) Moldes permanentes (coquillas) Moldes permanentes (coquillas) para fundición inyectada para fundición por gravedad 42 7. El molde Elementos típicos del molde Bebedero Cono de colada Cavidad Mazarota del modelo Bebedero Cono de colada Canales de distribución Ataque Mazarotas Macho o noyo Línea de partición o divisoria Línea de Canales de partición Ataque Macho distribución 43 7. El molde CONO DE COLADA Y FILTROS CONO DE COLADA: Es el encargado de recibir el metal de la cuchara y dirigirlo al bebedero, garantizando la alimentación uniforme del molde Misión: Facilitar el vertido del metal fundido y mantener el flujo necesario Reducir al mínimo las turbulencias y remolinos Atenuar el golpe del chorro del metal contra el molde FILTROS: Van montados entre el cono de colada y el bebedero Pueden ser de arena o de metal refractario Misión: Evitar la entrada de escoria y regular la velocidad de colada 44 7. El molde BEBEDERO Es el conducto encargado de recoger el metal fundido del cono de colada y conducirlo a los canales de colada Suelen estar dispuestos de forma vertical Su sección suele ser en forma de tronco de cono con la base menor hacia abajo Objetivo: Que el molde se llene de forma correcta Que durante la colada permanezca lleno Que no se produzcan erosiones ni choques 45 7. El molde CANALES DE DISTRIBUCIÓN Conductos que reciben el metal del bebedero y lo conducen a las entradas o ataques Puede actuar como colector de escorias, para eso se coloca por encima del plano de los ataques La escoria al ser de menor densidad del metal fundido, se quedan flotando en el canal de colada y no entran en el molde. Muy útil en las aleaciones pesadas ATAQUES: Encargados de introducir el metal fundido en la cavidad del molde Su número y disposición depende de la forma y tamaño de la pieza 46 7. El molde Respiraderos y mazarotas RESPIRADEROS: Son conductos que se realizan en el molde para: dar salida al aire y a los gases que se originan durante la colada, evacuar las escorias que se hayan podido colar, regular la entrada del metal en el molde. Piezas pequeñas no suelen llevar respiradero, basta con pinchar vientos Piezas grandes uno o más MAZAROTAS: Sustituyen a los respiraderos cuando la aleación que se va a colar tiene un elevado coeficiente de contracción Alimentan a la pieza con metal líquido durante la solidificación para evitar rechupes 47 7. El molde Radios de acción de las mazarotas Limitado más allá del cual su influencia es nula, independientemente de su tamaño y de su cálculo más o menos correcto estudio previo para conocer nº y situación más conveniente Recomendaciones generales para mazarotas Deben situarse en las zonas de más difícil alimentación Zonas masivas de última solidificación, procurando que ésta sea dirigida desde la pieza hacia la mazarota Es importante dimensionar la conexión de la mazarota a la cavidad para que no solidifique antes que la pieza (la mazarota es material de desecho por lo que no conviene sobredimensionarla). Facilidad de eliminación de las mazarotas tras la colada Las mazarotas sobre secciones planas son más fáciles de cortar que las que se apoyan sobre superficies curvas 48 7. El molde ENFRIADORES: Elementos metálicos para acelerar la solidificación en su radio de acción 49 8. Proceso de moldeo. Parámetros PROCESO DE FUNDICIÓN DISEÑO Y FABRICACIÓN DE ELEMENTOS DEL MOLDEO PREPARAR ELEMENTOS DE FUNDIR METAL MOLDEO COLADA MOLDEO SOLIDIFICACIÓN DESMOLDEO DESBASTE LIMPIEZA SUPERFICIE INSPECCIÓN TRATAMIENTO TÉRMICO MECANIZADO 50 8. Proceso de moldeo. Parámetros PRINCIPALES FACTORES QUE INFLUYEN EN EL PROC. DE FUNDICIÓN Molde (forma, resistencia, recuperación) Fusión del metal , elección sistema f (T fusión, cantidad, calidad) Colada (evacuación gases, fluidez) Proceso de solidificación (características finales) Retirada de molde (especialmente en los permanentes) Limpieza, acabado e inspección (operaciones + tratamientos) 51 8. Proceso de moldeo. Parámetros Velocidad de llenado Una vez fundido el material, en función de su fluidez, el vertido se realiza a una velocidad que asegure el llenado correcto del molde Una velocidad alta generará turbulencias o erosiones que provocarán defectos. Una velocidad baja generará un enfriamiento prematuro, que también provocará defectos. Para calcular la velocidad optima de vertido se utilizará la ecuación de Bernouilli: V = velocidad del metal líquido base del bebedero 𝑣= 2·𝑔·ℎ g = constante de la gravedad h = altura del bebedero 52 8. Proceso de moldeo. Parámetros Tiempo de llenado La velocidad de flujo volumétrico de llenado del molde se puede calcular a partir de la ecuación de continuidad: Q= 𝑣1 ·𝐴1 = 𝑣2 ·𝐴2 Q = velocidad del flujo volumétrico (mm3/s) v = velocidad A = área de la sección A partir de este flujo, es inmediato el cálculo del tiempo de llenado del molde: 𝑉 MTF = Tiempo de llenado del molde (s) V = volumen de la cavidad 𝑀𝑇𝐹 = Q= velocidad del flujo volumétrico (mm3/s) 𝑄 Para estos cálculos se acepta que el bebedero es ahusado, el área se reduce a medida que el líquido desciende y se acelera (de otra forma, aspiraría aire), y que el canal de alimentación es horizontal y por tanto no interviene la altura 53 8. Proceso de moldeo. Parámetros Tiempo de solidificación El tiempo de solidificación es función del volumen de la fundición y de su área exterior (regla de Chvorinov): Para moldes desechables 2 𝑉 𝑡𝑠 = 𝐶 · 𝐴 Para moldes permanentes 𝑉 𝑡𝑠 = 𝐶 · 𝐴 ts= tiempo de solidificación (segundos) C = cte función del material empleado, la temperatura de la colada y las características del molde V = volumen A = área exterior 54 9. Tipologías de colada Canales de colada. Conjunto de canales que conducen la aleación líquida hasta la cavidad del molde para el llenado del mismo FORMAS PRINCIPALES DE COLADA Colada directa o por lluvia Colada por la línea de partición del molde Colada por el fondo o sifón Piezas sencillas Gran tamaño Menor cantidad de material fundido Colada escalonada o por etapas Erosión moldes resistentes 55 9. Tipologías de colada Canales de colada. Conjunto de canales que conducen la aleación líquida hasta la cavidad del molde para el llenado del mismo FORMAS PRINCIPALES DE COLADA Colada directa o por lluvia Colada por la línea de partición del molde Colada por el fondo o sifón Sencillo Menor erosión que colada Colada escalonada o por etapas directa 56 9. Tipologías de colada Canales de colada. Conjunto de canales que conducen la aleación líquida hasta la cavidad del molde para el llenado del mismo FORMAS PRINCIPALES DE COLADA Turbulencias y erosión reducidas Colada directa o por lluvia Fondo del molde tarda en solidificar Problema rechupes Colada por la línea de partición del molde Colada por el fondo o sifón Colada escalonada o por etapas 57 9. Tipologías de colada Canales de colada. Conjunto de canales que conducen la aleación líquida hasta la cavidad del molde para el llenado del mismo FORMAS PRINCIPALES DE COLADA Corrige los problemas de la colada por el Colada directa o por lluvia fondo Mayor complejidad Colada por la línea de partición del molde Colada por el fondo o sifón Colada escalonada o por etapas 58 10. Defectos en piezas fundidas Fusión Se producen durante Colada Solidificación Visibles Pueden ser Ocultos 59 10. Defectos en piezas fundidas DEFECTOS VISIBLES De forma (deformaciones, aplastamientos,..) De superficie (aspecto basto, inclusiones de arena,..) De conjunto de la pieza (intermitencia, piezas no llenas,..) De forma Encorvamiento por heterogeneidad de Desplazamiento de las cajas por juego espesores. entre pernos y agujeros de orejas Concavidad por la parte de mayor espesor 60 10. Defectos en piezas fundidas DEFECTOS VISIBLES De forma (deformaciones, aplastamientos,..) De superficie (aspecto basto, inclusiones de arena,..) De conjunto de la pieza (intermitencia, piezas no llenas,..) De forma Desigualdad del espesor de tubos por Reducción de espesor debida a exceso de desplazamiento del macho por presión peso en la caja superior metalostática 61 10. Defectos en piezas fundidas DEFECTOS VISIBLES De superficie Exfoliación: desprendimiento de arena en la parte inferior que flota en la cara superior Hinchazones por hundimiento Darta: terrón de arena que no de arena termina de desprenderse De conjunto El metal líquido rodea el hueco y cuando se unen las dos corrientes, no se sueldan Intermitencia Pieza incompleta por elevada altura de la caja superior 62 10. Defectos en piezas fundidas DEFECTOS OCULTOS Soluciones internas de continuidad (sopladuras, rechupes,..) Composición y estructura inadecuada (temple inverso, segregaciones de grafito,..) Inclusiones de materias heterogéneas (arena, escoria, grafito,..) Agujeros, burbujas y vesículas debidas al exceso de humedad del molde Modos de prevenir rechupes: Rechupe generado por enfriadores internos o externos mazarota insuficiente 63 10. Defectos en piezas fundidas 64 11. Clasificación de los procesos de fundición Arena Modelo Cáscara Shaw recuperable Unicast Yeso Molde CO2 PROCESOS DE MOLDEO Cerámica desechable Microfusión Modelo perdido Moldeo con revestimiento Mercast Colada por gravedad Molde permanente Colada a presión (coquilla) Colada centrífuga 65 ¿Entrenamos? 66
