Guía de Fundición Final PDF

FUNDICIÓN. Es un proceso en el que metal derretido fluye por gravedad u otra fuerza hacia un molde en el que se solidifica con la forma de la cavidad de éste. El término fundición también aplica al objeto que se fabrica por medio de este proceso. En principio parece sencillo... 1) Se derrite m...

FUNDICIÓN. Es un proceso en el que metal derretido fluye por gravedad u otra fuerza hacia un molde en el que se solidifica con la forma de la cavidad de éste. El término fundición también aplica al objeto que se fabrica por medio de este proceso. En principio parece sencillo... 1) Se derrite metal. 2) Se vierte en un molde. 3) Se deja enfriar y solidificar. Uno de los métodos más antiguos (~ 6000 años). CLASIFICACIÓN DE LOS PROCESOS DE SOLIDIFICACIÓN. FUNDICIÓN. Una fundición puede obtenerse en formas o en lingotes. Lingote: término relacionado a la industria primaria de metales. Describe un fundido grande de forma sencilla que se espera adopte otras formas por medio de procesos tales como rolado o forjado. Fundición de forma: producción de formas más complejas que están mucho más cerca de la forma final que se desea que tenga la pieza o producto. Existe una variedad de métodos de fundición de formas, lo que la hace uno de los procesos de manufactura más versátiles. FUNDICIÓN DE FORMA POSIBILIDADES Y VENTAJAS. Se utiliza para crear formas complejas para las piezas, incluidas externas e internas. Son capaces de producir piezas de forma neta y forma casi neta. Forma neta: no se requieren operaciones adicionales de manufactura para obtener la forma y dimensiones requeridas de las piezas. Forma casi neta: se necesita de algún procesamiento adicional (por lo general, maquinado) para dar forma, a fin de obtener dimensiones y detalles exactos. La fundición se emplea para producir piezas muy grandes. Es posible hacer fundidos que pesan más de 100 toneladas. El proceso de fundición se lleva a cabo en cualquier metal que pueda calentarse hasta llegar al estado líquido. Algunos métodos de fundición son muy apropiados para la producción en masa. DESVENTAJAS. Limitaciones en las propiedades mecánicas. Porosidad. Exactitud dimensional. Acabado superficial defectuoso. Peligros para la seguridad de los trabajadores. Problemas ambientales. APLICACIONES. Coronas dentales. Cacerolas para freír. Joyería. Tuberías. Estatuas. Carcasas de bombas Estufas de leña. Componentes automovilísticos. Bloques y cabezas de motores. Cigüeñales. Materiales: ferrosos y no ferrosos. Equipo agrícola. Armazones de maquinaria. Cañones para armas. Ruedas de ferrocarril. Turbinas hidráulicas. FUNDICIÓN EN MOLDES PERMANENTES Y DESECHABLES. Fundidora: fábrica equipada para hacer moldes, fundir y manejar metal en forma derretida, ejecutar el proceso de fundición y limpiar el fundido terminado. Fundidor/es: los trabajadores que llevan a cabo las operaciones de fundido en las fundidoras. Molde: contiene una cavidad cuya configuración geométrica determina la forma de la pieza fundida. El tamaño y forma reales de la cavidad deben sobredimensionarse un poco para permitir la contracción de metal que ocurre durante la solidificación y enfriamiento. Dos tendencias han tenido un impacto importante en la industria de la fundición. La primera es la mecanización y automatización de este proceso: Cambios de equipo. Cambios en mano de obra. La segunda tendencia importante es la creciente demanda de fundiciones de alta calidad, con tolerancias dimensionales cerradas. CLASIFICACIÓN DE LA FUNDICIÓN. (Libro: Procesos de manufactura) Amstead, Ostwald y Begeman, clasifican la fundición según el tipo de modelo usado: Modelo removible: se comprime arena alrededor del modelo, el modelo se extrae y la cavidad producida se alimenta con metal fundido para crear la fundición. Modelo disponible o desechable: 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. CLASIFICACIÓN DE LA FUNDICIÓN. (Libro: Manufactura, ingeniería y tecnología) Kalpakjian y Schmid, clasifican la fundición según los materiales del molde y los métodos de alimentación del molde con metal fundido: Moldes desechables: suelen producirse con arena, yeso, cerámica y materiales similares se mezclan con diversos aglutinantes (agentes de unión) para mejorar sus propiedades. Un molde de arena consta de 90% arena, 7% arcilla y 3% agua. Es un material refractario. Cuando la fundición solidifica, se rompe el molde para retirarla. Moldes permanentes: se fabrican con metales que mantienen su resistencia a temperaturas elevadas. se utilizan en repetidas ocasiones y se diseñan de manera que las fundiciones puedan retirarse con facilidad y sea posible utilizar el molde en la siguiente fundición. La fundición que se está solidificando experimenta una mayor velocidad de enfriamiento, lo que a su vez afecta la microestructura y el tamaño de grano de esta. Moldes compósitos: se producen con dos o más materiales (como arena, grafito y metales) y combinan las ventajas de cada uno. Estos moldes tienen una parte permanente y otra desechable, ayudan a mejorar la resistencia del molde, controlar las velocidades de enfriamiento y optimizar la economía global de los procesos de fundición. CLASIFICACIÓN DE LA FUNDICIÓN. (Libro: Fundamentos de manufactura moderna) Groover, clasifica la fundición según el tipo de molde usado: Molde abierto: en un molde abierto (figura a), el metal líquido simplemente se vierte hasta que llena la cavidad abierta. Molde cerrado: se adapta un pasaje denominado sistema de paso, que permite que el metal derretido fluya desde el exterior del molde hasta la cavidad. Este molde (figura b) es el más importante en las operaciones productivas de fundición. CONSIDERACIONES IMPORTANTES EN UNA FUNDICIÓN. El metal comienza a enfriarse al entrar en contacto con el molde. Cuando baja lo suficiente la temperatura puede solidificarse el metal dentro del molde. Solidificación = cambio de fase. Solidificación lleva tiempo y se pierde una considerable cantidad de calor. El metal toma la forma del molde que lo contiene. En este punto, es cuando se establecen muchas propiedades y características del fundido. Cuando el metal se encuentra “frío”, se retira el molde. En función del método de fundición y metal enfriado, puede requerirse un procesamiento adicional. Para entender el proceso de fundición, es necesario saber cómo se hace un molde y qué factores son importantes para producir una buena fundición: 1. Procedimiento de moldeo. 2. Modelo. 3. Arena. 4. Corazones. 5. Equipo mecánico. 6. Metal. 7. Vaciado y limpieza. MOLDES PARA FUNDICIÓN DE ARENA. La fundición con arena es por mucho el proceso de fundición más importante. El molde consiste en: Marco superior y marco inferior. Caja de moldeo (marco superior e inferior). Núcleo. Mazarota. Sistema de paso. Bebedero. Vaciadero. Embudo de vertido. SECUENCIA DE LAS ETAPAS DE LA PRODUCCIÓN EN LA FUNDICIÓN CON ARENA. CLASIFICACIÓN DE LOS MOLDES. Los moldes se clasifican según los materiales usados: Moldes de arena en verde. Moldes con capa seca. Moldes con arena seca. Moldes de arcilla. Moldes furánicos. Moldes de CO2. Moldes de metal. Moldes especiales. Moldes de arena en verde: Método más común. Formación de moldes con arena húmeda. Moldes con capa seca: Existen dos métodos: a) La arena se mezcla con un compuesto que seca la arena y endurece el molde alrededor del modelo. El resto se construye con arena en verde. b) El molde entero se hace con arena en verde, se rocía la superficie con una sustancia (mezcla de aceite de linaza, agua de melaza, almidón gelatinizado y soluciones líquidas similares), que endurece el molde al aplicarse calor. Secado de molde: por aire o por antorcha para endurecer la superficie y eliminar humedad. Moldes con arena seca. Fabricados con arena común y aditivos. Los moldes deben ser cocidos totalmente antes de usarse. Moldes con capa seca y de arena seca usados para la producción de acero. Moldes de arcilla. Trabajos grandes. Construcción de molde con ladrillo o hierro, recubierto con una capa de mortero de arcilla. Requieren mucho tiempo de fabricación. Uso no muy extenso. Moldes furánicos Mezcla de arena seca y ácido forsfórico (acelerador). Nueva mezcla con resina furánica, hasta distribuir la resina por completo. Rápido endurecimiento (1 o 2 horas). Se emplea como pared o cáscara alrededor el modelo, el resto del molde puede fabricarse con arena de grano agudo o arena en verde. Usado para la fabricación de moldes usando modelos y corazones desechables. Moldes de CO2  Compuesto por arena limpia y silicato de sodio. La mezcla se apisona alrededor del modelo. Gas CO2 a presión endurece la arena. Se pueden obtener moldes con geometría intrincada y superficies lisas. Moldes de metal. Usados para aleaciones con bajo punto de fusión. Formas exactas. Superficie lisa y fina. Elimina trabajo de maquinado. Moldes especiales Plástico, cemento, yeso, papel, madera y hule son ejemplos de materiales usados en moldes especiales. PROCESOS DE MOLDE Moldeo en banco. Trabajos pequeños. Realizado en bancos a la altura del moldeador. 2. Moldeo en piso. Piezas medianas y grandes. Realizado en el piso por el difícil manejo de materiales. 3. Moldeo en fosa. Piezas extremadamente grandes. La fosa actúa como la base de la caja. Paredes de ladrillos y piso de carbón. Soportan grandes presiones de gases. Menos costosos. 4. Moldeo en máquina. Sustituye a la mano del hombre en tareas como: apisonar, voltear moldes completos, formar alimentación, sacar modelo. Método mucho más eficiente. MODELOS MATERIALES DE MODELOS REMOVIBLES Madera: Económico. Fácil de trabajar. Metal: Soportan uso intenso. No cambian forma por humedad. Mínimo mantenimiento. Ejemplo: latón, metal blanco, hierro fundido, aluminio. Plástico: No absorben humedad. Dimensionalmente estables.  Superficie perfectamente tersa. Económico. Hule espuma o poliestireno: Económico. Buena resistencia a la compresión. Fácil de trabajar. No hay extracción. Cera: Económico. Fácil de trabajar. Extracción con calentamiento. PROCESOS DE FUNDICIÓN DE MOLDE DESECHABLE. MOLDEO VERTICAL SIN CAJA Las mitades del modelo forman una pared vertical. Modelos son compactados contra la arena. Moldes apilados horizontalmente. Línea de partición orientada verticalmente. No necesita caja de moldeo. Alta capacidad de producción. MOLDEO EN CÁSCARA Modelo de metal ferroso o aluminio se calienta entre 175 °C y 370 °C, se recubre con agente de separación y se sujeta a una caja o cámara. Arena fina se mezcla con 2.5%-4% aglutinante (resina termofija), la arena se sopla sobre el modelo para cubrirlo.  La cáscara se lleva a un horno para realizar el curado de la resina. FUNDICIÓN EN MOLDE DE YESO A la fundición en molde de yeso, molde de cerámica y fundición de revestimiento se les conoce como fundición de precisión. Ingredientes del molde: yeso blanco, talco, harina de sílice y agua. El lodo se vierte sobre el modelo, después de 15 min (o menos) se retira el modelo y se elimina humedad del molde entre 120 °C y 260 °C. La temperatura máxima que puede soportar el molde es de 1200 °C. Se producen fundiciones con acabado superficial fino. Baja conductividad térmica, por lo tanto, el enfriamiento es lento. Espesor de paredes entre 1 mm y 2.5 mm. FUNDICIÓN EN MOLDE CERÁMICO Se utiliza un modelo de madera o metal, para fabricar el molde. Ingredientes para el molde: zirconio de grado fino, óxido de aluminio, sílice fundida, agentes aglutinantes. Los moldes se secan, queman y hornean para eliminar humedad. Las caras de cerámica se refuerzan con arcilla refractaria para mejorar la resistencia del molde (proceso Shaw). Posteriormente las caras se en-samblan como molde completo, listas para el vaciado. Utilizado para fundición de metales ferrosos, aceros inoxidables, aceros para herramientas. Buena precisión dimensional y buen acabado superficial. FUNDICIÓN DE MODELO EVAPORATIVO PROCESO A LA ESPUMA PERDIDA. Se utiliza un modelo desechable. Modelo de poliestireno (PS), polimetilmetaacrilato (PMMA) o carbonato de polialquileno. El modelo se recubre con un lodo refractario a base de agua, se seca y se coloca en la caja de moldeo. Arena fina suelta rodea al modelo para darle soporte al modelo. Para mejorar la resistencia se mezcla con aglutinantes. El modelo se evapora al contacto con el metal fundido. Ventajas de este proceso: o Relativamente simple, no incluye líneas de partición, corazones, mazarotas. o Caja de moldeo económicas. o Poliestireno es económico, fácil de procesar y se pueden obtener figuras complejas. o Requiere operaciones mínimas de acabado y limpieza. o Se puede automatizar el proceso y se pueden producir en grandes lotes. FUNDICIÓN POR REVESTIMIENTO También llamado proceso a la cera perdida. El modelo se fabrica con cera o poliestireno. El modelo se sumerge en lodo refractario (ej. arena de sílice) muy fina con aglutinantes, además de agua, silicato de etilo y ácidos. El proceso se repite varias veces hasta obtener un mayor espesor y mejor resistencia. Los modelos de cera son delicados. La cera se puede recuperar. El plástico no. Se calienta el molde y se invierte para extraer la cera. Eliminación de humedad y cera a 650 °C – 1050 °C. Se producen componentes mecánicos como engranes, válvulas y manerales. Uso de árbol = mayor producción. Ventajas: fundición de aleaciones con alto punto de fusión, buen acabado superficial, tolerancia dimensional cerrada, poca o ninguna operación de acabado. Desventaja: costoso. FUNDICIÓN POR REVESTIMIENTO DE CASCARA CERÁMICA. Es una variación del proceso de fundición por revestimiento. Se usa un modelo de cera o plástico. El modelo se sumerge en gel de silicato de etilo, después en sílice de grado fino o harina de zirconio. El modelo se sumerge nuevamente en sílice, pero de grano grueso para aumentar el espesor y resistir el choque térmico. El resto del proceso es similar a la fundición por revestimiento.  Ventajas: proceso económico. Se utiliza en fundición de precisión de aceros y aleaciones de alta temperatura. PROCESOS DE FUNDICIÓN DE MOLDE PERMANENTE FUNDICIÓN EN MOLDE PERMANENTE También llamado fundición en molde duro. Generalmente se fabrica de dos mitades de un molde. Propiedades del molde: alta resistencia a la erosión y a la fatiga. Materiales: hierro fundido, latón, grafito o aleaciones metálicas refractarias. Se utilizan corazones de metal o agregados de arena aglutinada con aceite o resina, yeso, grafito, hierro gris, acero de bajo carbono. Los moldes permanentes suelen recubrirse con un lodo refractario. Sirve para aumentar la vida de los moldes, como agente de separación y como barrera térmica. Sujeción de los moldes por medios mecánicos y precalentamiento de moldes de 150 °C a 200 °C. Se puede enfriar con agua. El proceso no es económico en pequeños lotes de producción. Productos usuales: pistones, cabezas para cilindros, bielas, discos para engranes de electrodomésticos, artículos de cocina. Se utiliza para la producción de aluminio, magnesio, aleaciones de cobre y hierro gris. Productos con buen acabado superficial, tolerancias dimensionales cerradas, buenas y uniformes propiedades mecánicas y grandes capacidades de producción. Al uso de corazones o machos de arena se le llama fundición de molde semipermanente. FUNDICIÓN DE VACÍO También llamado proceso de baja presión contra-gravedad. Es una alternativa a los procesos de fundición por revestimiento, de moldeo en cáscara y de arena verde por la producción de piezas con formas complejas y de pared delgada. El molde metálico es recubierto por una mezcla de arena fina y uretano y curado con vapor de amina. El molde se sumerge en el metal fundido contenido en un horno de inducción. El metal puede ser fundido en aire (proceso CLA) o en vacío (proceso CLV). El vacío reduce la presión del aire dentro del molde a casi dos tercios de la presión atmosférica, introduciendo así el metal fundido dentro de las cavidades del molde a través de una compuerta en el fondo del molde. Se llena el molde, se enfría y solidifica y, por último, se retira el molde. Productos: componentes de superaleaciones para turbinas de gas. Costo similar a la fundición por arena en verde. Materiales de fundición: aceros inoxidables, aceros al carbono, aceros de baja y alta aleación. FUNDICIÓN HUECA El metal fundido es vaciado en un molde metálico. Al enfriarse, se solidifica la capa exterior. Al obtener un espesor delgado de metal solidificado, el molde se invierte y se vacía el material restante. Adecuado para pequeños lotes de producción. Productos: objetos ornamentales y decorativos (bases y vástagos para lámparas), juguetes. Materiales: metales de bajo punto de fusión como zinc, estaño y aleaciones de plomo. FUNDICIÓN A PRESIÓN También llamada fundición de baja presión o de vaciado a presión. En este proceso el metal fundido no fluye por gravedad a la cavidad, sino que es forzado hacia arriba por presión de gas. La presión se mantiene hasta la solidificación. La presión puede ejercerse también por vacío (produce menor porosidad). Se producen fundiciones de alta calidad. Material molde: grafito o metálico. Productos: ruedas de acero para ferrocarril. FUNDICIÓN A PRESIÓN EN MATRIZ O INYECCIÓN DE METALES En este proceso, el metal fundido se fuerza dentro de la cavidad de la matriz a presiones que varían de 0.7 a 700 MPa. Hay dos tipos de máquinas de fundición a presión en matriz: de cámara calienta y de cámara fría.  Cámara caliente: se usa un pistón que fuerza al material a entrar a la cavidad con una presión de entre 15 MPa y 35 MPa. El metal mantiene la presión hasta la solidificación. Las matrices suelen enfriarse por sistema de enfriamiento por circulación de agua y/o aceite. Materiales de productos por cámara caliente: zinc, magnesio, estaño y plomo. Cámara fría: se usa un pistón que fuerza al material a entrar a la cavidad con una presión de entre 20 MPa y 70 Mpa, incluso hasta 150 MPa. Las máquinas de moldeo pueden ser horizontales o verticales. Materiales: aluminio, magnesio, cobre, aleaciones ferrosas. Las matrices para fundición a presión pueden ser de una cavidad, de cavidades múltiples (con varias cavidades idénticas), de cavidades de combinación (con varias cavidades diferentes) o matrices unitarias (matrices pequeñas y sencillas que pueden combinarse en dos o más unidades en una matriz maestra de sujeción). Las matrices suelen fabricarse con aceros para herramentales para trabajo en caliente o aceros para moldes. Productos: cajas y monobloques para motores, componentes para máquinas de oficina, artículos electrodomésticos, herramientas manuales, juguetes. Alto costo de equipos (matrices). Proceso automatizable. Proceso económico para grandes lotes de producción. FUNDICIÓN CENTRÍFUGA Utiliza las fuerzas de inercia (causadas por la rotación) para distribuir el metal fundido en las cavidades del molde. Existen tres tipos de fundición centrífuga: la fundición realmente centrífuga, la fundición semicentrífuga y el centrifugado. FUNDICIÓN REALMENTE CENTRÍFUGA Se producen piezas cilíndricas huecas (como tubos sin costura, cañones de armas, bujes, revestimientos para cilindro de motores, pistas para rodamientos, con o sin bridas, y postes para iluminación de calles). El metal fundido se vacía dentro de un molde rotatorio, el eje de rotación es horizontal, aunque puede ser vertical en el caso de piezas de trabajo cortas. Material molde: acero, hierro o grafito, con revestimiento de refractario (aumento en vida útil del molde). La presión generada por la fuerza centrífuga es elevada (hasta de 150g), dicha presión es necesaria para fundir partes con paredes gruesas. Por medio de este proceso se producen fundiciones de buena calidad, precisión dimensional y detalle de la superficie externa. FUNDICIÓN SEMICENTRÍFUGA Se utiliza para fundir partes con simetría rotatoria, como las ruedas con rayos. CENTRIFUGADO O FUNDICIÓN CENTRÍFUGA Las cavidades de un molde de cualquier forma se colocan a cierta distancia del eje de rotación. El metal fundido se vacía por el centro y se fuerza dentro del molde mediante fuerzas centrífugas. Las propiedades de las fundiciones pueden variar según la distancia que haya desde el eje de rotación. FUNDICIÓN POR DADO IMPRESOR Y FORMADO DE METALES SEMISÓLIDOS Son métodos que combinan la fundición y el forjado. FUNDICIÓN POR DADO IMPRESOR Y FORMADO DE METALES SEMISÓLIDOS FUNDICIÓN POR DADO IMPRESOR Se funde el metal, después se vacía el metal fundido dentro de la matriz, se cierra la matriz y se aplica presión, finalmente se expulsa la fundición comprimida y se carga material fundido Resultado: microestructura fina, buenas propiedades mecánicas, partes complejas con una forma cercana a la neta y un detalle fino de la superficie. Productos: componentes automovilísticos, cuerpos de morteros (cañón de barril corto). Materiales: aleaciones ferrosas y no ferrosas. La maquinaria incluye una matriz, un punzón y un perno expulsor. La presión entre matriz-metal promueve una rápida transferencia de calor. FORMADO DE MATERIAL SEMISÓLIDO O PROCESAMIENTO EN ESTADO PASTOSO Cuando el metal (que consiste en líquido y componentes sólidos) entra en la matriz, se agita para triturar todas las dendritas como sólidos finos, y cuando se enfrían en la matriz, se desarrollan como una estructura de grano fino. La aleación muestra un comportamiento tixotrópico (de ahí que al proceso también se le llame tixoformado), lo que significa que su viscosidad disminuye cuando se agita. Productos: brazos de control, soportes y componentes de dirección. Materiales: aceros, aleaciones de magnesio. Proceso costoso. Ventajas: o Las estructuras desarrolladas son homogéneas, con propiedades uniformes y alta resistencia. o Se pueden fabricar partes delgadas y gruesas. o Pueden utilizarse aleaciones fundidas y forjadas. o A las partes se les puede dar tratamiento térmico posterior. REOFUNDICIÓN Es la técnica para formar metales en estado semisólido, el metal se calienta apenas por encima de su temperatura solidus. Se vierte en un recipiente para enfriarlo al estado semisólido, después el lodo se mezcla y se vierte en el molde o matriz. Materiales: aleaciones de aluminio y de magnesio. OPERACIONES DE FUNDICIÓN EN MOLDE COMPÓSITO Los moldes compósitos se fabrican con dos o más materiales diferentes. Por lo general se emplean para fundir formas complejas, como propulsores para turbinas. Incrementan la resistencia del molde, mejoran la precisión dimensional y el acabado superficial de las fundiciones y pueden ayudar a reducir los costos globales y el tiempo de procesamiento. Los materiales para moldeo más utilizados son cáscaras, yeso, arena con aglutinante, metal y grafito. Pueden incluir machos o corazones y enfriadores para controlar la velocidad de solidificación en las áreas críticas de las fundiciones.