Apuntes fundiciones

INTRODUCCIÓN:

Enlace: Fuerza que mantiene unidos los átomos entre sí para formar moléculas u otros agregados atómicos. Esta fuerza puede tener un valor considerable, por ejemplo, la resistencia de un trozo de acero a cualquier solicitación exterior. Fuerzas y energía de interacción entre átomos: Atractivas: debidas a 1) naturaleza del enlace, 2) atracciones electrostáticas entre cada núcleo atómico y la nube electrónica del otro. Repulsivas: debidas a 1) acción electrostática entre los núcleos atómicos, 2) repulsión entre las atmósferas a tmósferas electrónicas.





Como consecuencia a estas fuerzas, los átomos adoptan una posición de equilibrio, para la cual la resultante de ambas es nula, que es función de la temperatura y presión.

Si acercamos o separamos los átomos con relación a la posición de equilibrio, se desarrollan fuerzas repulsivas o atractivas respectivamente, que tienden a volverlos a dicha posición (elasticidad). (elasticidad). Enlace iónico: Se produce cuando al unir dos átomos, uno es más electronegativo que el otro. La electronegatividad es la capacidad de un átomo para atraer electrones. Prototipo de este enlace es la unión del cloro y sodio para dar cloruro de sodio ClNa. Al ponerse en contacto ambos átomos, el del Cl capta el electrón solitario exterior del Diseño de moldes y modelos de fundición. fundición. (1DFM)

Matías de Haro Padilla

Pág. 1

Na y adoptan la configuración de gas noble más próximo, el Cl la del Ar y el Na la del Ne. Como los núcleos no han cambiado, el Cl pasa a ión Cl- y el Na a ión Na+. Al tener cargas opuestas, ambos iones se aproximan por atracción electrostática.

Enlace covalente: Se da en átomos con apetencia electrónica muy similar. Ejemplos típicos son la unión de átomos para formar moléculas: H2, Cl2, O2, FH, y otras, o tras, sobretodo orgánicas (CH4). Este enlace es debido a pares de electrones compartidos, de tal forma que los átomos que se combinan puedan adquirir la configuración electrónica estable de gas noble.

Es un enlace fuerte, proporciona fuerzas atractivas intensas entre los átomos que une. Ejemplo, el diamante está formado por átomos de C que comparten sus cuatro electrones formando una red tridimensional. Enlace metálico: Los elementos metálicos (que son la mayor parte de los elementos químicos) poseen unas propiedades comunes: buena conductividad eléctrica y térmica, brillo metálico, opacidad, capacidad de deformación plástica, etc. Estas propiedades están íntimamente relacionadas con la naturaleza del enlace metálico. Según Lorentz, un metal es un conjunto ordenado de esferas rígidas que son los iones positivos (originados al separarse algunos electrones periféricos del conjunto del átomo, como consecuencia de la baja electronegatividad de los elementos metálicos). Rodeando a los iones, se hallan los electrones libres que, al igual que las moléculas de un gas, se mueven por los intersticios, formando una nube o gas electrónico. Esta teoría explica las distintas propiedades de los metales. ESTRUCTURA CRISTALINA.

La materia está formada por átomos, iones, moléculas entre los que se desarrollan fuerzas de cohesión. Según la acción de estas fuerzas, la materia se presenta en 3 estados: sólido, líquido y gaseoso. En el estado sólido las fuerzas de cohesión son suficientemente elevadas como para conservar el volumen y la forma constantes. Diseño de moldes y modelos de fundición. fundición. (1DFM)


Pág. 2

En los sólidos pueden presentarse dos tipos de organización: a) Estado cristalino: distribución regular de las partículas. b) Estado vítreo o amorfo: distribución irregular. El estado cristalino es anisótropo, o sea, ofrece direcciones privilegiadas para su comportamiento frente a agentes físicos externos. El estado amorfo es isótropo, o sea, todas las direcciones son iguales. Desde el punto de vista rigurosamente físico, sólo se consideran sólidos las sustancias cristalinas. Sustancias cristalinas: En ellas los átomos, iones o moléculas se repiten periódicamente en las 3 direcciones del espacio, ocupando posiciones definidas. Según el tipo de enlace que fija y ordena las partículas de un cristal, se clasifican en iónicos, covalentes, metálicos y otros. Cristales iónicos: Se consideran como un empaquetamiento continuo de esferas de signo contrario y de distinto tamaño. Ej: ClNa. Cristales covalentes: Ejemplo típico es el diamante, en que cada átomo de C aparece rodeado de otros 4 átomos (estructura tetraédrica) a los que se une por enlace covalente. Son muy duros y frágiles, no se deforman plásticamente y poseen una elevada temperatura de fusión. Cristales metálicos: Red de átomos unidos por enlace metálicos con los electrones exteriores libres para moverse a través de los átomos. La temperatura de fusión, dureza y densidad suelen ser elevadas. Una característica muy importante es que permiten gran deformación plástica, lo que hace posible darles la forma deseada, ello es posible gracias a la facilidad de desplazamiento de los átomos y de la nube electrónica. Estructura geométrica: Un cristal puede considerarse formado por un grupo de átomos que se repiten de modo regular e indefinido mediante traslaciones paralelas dando lugar a una red espacial.

Redes cristalinas de los metales: Como consecuencia del enlace metálico, cada átomo tiende a rodearse de otros átomos: Los tipos de redes más frecuentes en los metales son:

Diseño de moldes y modelos de fundición. (1DFM)


Pág. 3

Cúbica centrada (CC). Cúbica centrada en las caras (CCC). Hexagonal compacta.

  

Casi el 70% de los metales cristaliza en el sistema cúbico centrado. Red cúbica centrada: Los átomos del metal ocupan los vértices y centro de un cubo (celdilla unidad). Esta red se da en los metales Li, Na, K, Ba, Ti, V, Cr, Mo, Feα, W.

Red cúbica centrada en las caras: Los átomos ocupan los vértices y el centro de las caras de un cubo. Esta ordenación corresponde a un apilamiento compacto de esferas. Es característica de los metales Ca, Al, Fe γ, Co, Ni, Pt, Cu, Ag, Au y Pb.

Red hexagonal compacta: Los átomos ocupan los vértices de un prisma hexagonal regular, los centros de las bases y los centros de los triángulos alternativos de la sección media del prisma. Es el apilamiento más compacto de esferas.

Índice de coordinación: En una red cristalina puede que todos los átomos sean de la misma naturaleza o de naturalezas distintas. El IC de un átomo es el número de átomos, de su misma naturaleza, que equidistan de él y son sus vecinos más próximos. Diseño de moldes y modelos de fundición. (1DFM)


Pág. 4

Radios atómicos: Si los átomos de la red son todos iguales, el radio atómico es la mitad de la distancia entre los centros de dos átomos contiguos. Factor de empaquetamiento atómico: Relación entre el volumen que ocupan los átomos en la celdilla unidad y el volumen de la celdilla. ALEACIONES:

Los metales químicamente puros, del 100%, casi no se emplean técnicamente y son muy difíciles de obtener. Sólo se recurre a metales de gran pureza (99,999%) en el caso de tener que hacer uso de alguna propiedad específica, conductividad eléctrica, resistencia a la corrosión y otras, que son muy afectadas por la presencia de átomos extraños. Desde el punto de vista técnico, interesa que los metales tengan alta resistencia y otras características que no poseen los metales puros, por lo que es preciso adicionarles átomos extraños, que modifican sus propiedades. Aleación: metal con adición de átomos extraños, siempre que el conjunto conserve las propiedades metálicas. Los efectos que producen los átomos adicionados en las propiedades de un metal son muy variados. Así, impurezas del 0,1% de Bi en el Cu y Au, le hacen completamente frágiles; bajos porcentajes de Be en el Cu, elevan extraordinariamente su resistencia y dureza, igual le sucede al Fe cuando se le adiciona C. Soluciones sólidas: Según la forman en que se dispongan los átomos de soluto en la red del disolvente: 



S.S. de sustitución: Cuando los átomos del soluto se sitúan en los nudos de la red del disolvente, ocupando las posiciones que antes ocupaba éste. S.S. de inserción: Cuando los átomos del soluto se sitúan en los intersticios de la red del disolvente.



Pág. 5

SOLIDIFICACIÓN EN MOLDE. CRISTALIZACIÓN.

La obtención de materiales metálicos tiene lugar, con la excepción del sinterizado, mediante un proceso previo de fusión y solidificación. Cristalización: Proceso mediante el cual, los átomos, iones o moléculas se ordenan para formar la red cristalina. Para que la cristalización pueda darse, se precisa que las fuerzas de cohesión alcancen el valor adecuado, lo cual se consigue disminuyendo la temperatura hasta alcanzar la de solidificación. Una vez alcanzada, los átomos desordenados se orientan, se alinean y forman la red. La cristalización empieza en forma de pequeños núcleos sólidos. Factores que regulan el proceso de cristalización: Velocidad de nucleación (Vn) o número de núcleos sólidos que se forman en la unidad de volumen y tiempo. Vn crece al disminuir la temperatura hasta un cierto valor, a partir del cual decrece hasta anularse. Cada sustancia presenta una curva característica, influenciada considerablemente por las impurezas que, por lo general, favorecen la nucleación.

Velocidad lineal de cristalización (Vc). Formados los núcleos, empieza su crecimiento en direcciones perpendiculares a las caras del cristal, siendo Vc el aumento de longitud de los cristales por unidad de tiempo.



Pág. 6

Solidificación de un metal puro: Si se enfría de forma uniforme, al alcanzar la temperatura de solidificación surgen los núcleos, a partir de los cuales se desarrolla el cristal en las direcciones de ciertos ejes, dando origen a formas arborescentes denominadas dendritas. A veces, estas dendritas son visibles a simple vista en la superficie del metal. El núcleo nace en A y se desarrolla primeramente según un esqueleto trirrectángulo, a continuación aparecen centros de cristalización secundarios (B) y después centros terciarios (C), y así sucesivamente. Al crecer, las dendritas se ponen en contacto con las vecinas, y siguen creciendo hasta que todo el espacio interdendrítico se ha llenado por completo. Así, cada dendrita inicial da origen a un poliedro más o menos regular, limitado por sus vecinos, que se llama grano cristalino.

Microestructura: Si observamos una superficie metálica, pulida y atacada con los reactivos adecuados, con un microscópico metalográfico, aparece la microestructura, que es una estructura poligonal, siendo las líneas poligonales los bordes o límites de grano.

Periodos característicos de la solidificación: a. Los cristales formados son todavía pequeños y pueden moverse libremente en el seno de la fase líquida, por tanto, esta fase es continua y la sólida es discontinua. b. Los cristales se han desarrollado lo suficiente para que se establezca contacto entre ellos y se inmovilicen, pero aún quedan espacios por entre los cuales puede circular el líquido, por tanto, ambas fases son continuas. Diseño de moldes y modelos de fundición. (1DFM)


Pág. 7

c. Los cristales han crecido tanto que forman tabiques e impiden el libre desplazamiento de líquido, así, la fase sólida es continua y la líquida, discontinua. Proceso de solidificación de un lingote: Cuando se vierte el metal fundido en un molde, se enfrían con más rapidez las partes de la masa líquida que están en contacto con las paredes, que en la parte central, produciéndose un elevado gradiente o variación de temperaturas. Por tanto, en un instante determinado los distintos puntos de la masa líquida no tienen la misma temperatura y se encuentran en diferentes etapas de solidificación, lo que origina una heterogeneidad estructural en el lingote. Tipos representativos de solidificación: Metales puros: Solidifican a temperatura constante. La cristalización se inicia en la zona periférica en contacto con la pared fría del molde donde se desarrolla una delgada capa de granos muy finos, equiaxiales. A continuación, los cristales se desarrollan en dirección perpendicular a las paredes del molde, dando origen a una zona basáltica o de cristales columnares. El calor liberado en la solidificación se transmite por conducción a través de la pared del molde.

Aleaciones de composición eutéctica: Solidifican a temperatura constante. Se forman cristales muy finos. Como en los metales puros, la cristalización se inicia en la zona periférica y progresa en forma de frente continuo.



Pág. 8

Aleación con intervalo de solidificación: A continuación de la zona periférica de grano fino, se desarrollan dendritas perpendiculares a la pared del molde y penetran en el líquido que se encuentra en estado pastoso y que da lugar a que se engendran granos que se desarrollan en todas las direcciones (equiaxiales). Los cristales columnares crecen con la misma velocidad y detienen su crecimiento cuando se encuentran con los adyacentes, formándose planos diagonales de unión, que pueden ser zonas potenciales de debilidad. Estos planos de debilidad pueden eliminarse usando moldes con vértices y aristas redondeadas.

Cuando los moldes son de arena o moldes metálicos calientes, las zonas consideradas anteriormente no quedan bien delimitadas, y en casos extremos, se obtiene una estructura única de granos equiaxiales de tamaño grueso.

Tamaño de los granos: El tamaño y la forma de los granos es función del proceso de solidificación o de las transformaciones que pueden tener lugar posteriormente. Normalmente, en la mayoría de los metales, el enfriamiento rápido tiende a afinar el grano. La influencia de la velocidad de enfriamiento se aprecia en la obtención de piezas moldeadas en arena (enfriamiento lento, pues la arena conduce poco el calor), donde se obtiene un grano grueso, o en coquilla metálica (enfriamiento rápido, pues el metal es buen conductor del calor) donde se consigue estructura de grano fino. Las propiedades mecánicas de los metales dependen en gran parte del tamaño de grano. Así, un metal de grano fino es más duro, más resistente al choque y a la tracción que el mismo con grano grueso. Diseño de moldes y modelos de fundición. (1DFM)


Pág. 9

Medida del tamaño de grano: Cuando miramos por un microscopio metalográfico una superficie metálica debidamente pulida, vemos superficies de tamaños diferentes que son las intersecciones de los granos con la superficie de corte. Estas superficies pueden considerarse proporcionales a los volúmenes de los granos. Podemos calcular el área de cada superficie trazando una circunferencia de diámetro conocido (y por tanto también su área), contamos el número de granos totalmente interiores y los cortados por la circunferencia, y se aplica un coeficiente y se calcula la superficie media de cada grano.

La ASTM (American Society for Testing Materials) ha realizado los patrones de grano, basados en el hecho de que el ojo humano aprecia mejor las diferencias que los valores absolutos. Estos patrones están confeccionados para 100 aumentos y están numerados del 1 al 8. Aplicando los patrones y la tabla obtenemos el número de granos por mm2 y la superficie media de los granos.



Pág. 10



Pág. 11

CONFORMACIÓN POR MOLDEO: Moldeo, fundición o colada, es un proceso de conformación sin arranque de viruta, basado en la fusión de los metales. Son operaciones por las que se obtiene un hueco o molde con arena, metal o material refractario, que reproduce la forma de la pieza que se desea fabricar, en el que se vierte o cuela el metal fundido dejándole enfriar hasta que solidifica completamente. Si el moldeo es de precisión, las piezas resultan ya con sus dimensiones finales, en caso contrario se precisa mecanizar algunas de sus partes, para lo que hay que prever creces o demasías para el mecanizado. La principal ventaja es que se pueden fabricar con facilidad y economía, piezas de formas muy complicadas (bloques de cilindros, culatas de motores, bancadas de MH, etc.) imposibles o muy difíciles de obtener por otros métodos. Permite además el empleo de metales y aleaciones que no son aptos para la conformación por deformación o soldadura (ej.: fundición gris). 4000 años a.C. ya se obtenían puntas de flecha de cobre fundido. Posteriormente los sumerios, unos 3100 años a.C. obtenían piezas moldeadas de bronce. En Egipto y Mesopotamia existe la evidencia de que se empleó el método de la cera perdida para obtener piezas pequeñas moldeadas. El moldeo en arena tal vez lo emplearon por primera vez los chinos hacia el 800 a.C.



Pág. 12

MATERIALES PARA MOLDES. Molde: Cavidad que reproduce la forma exterior de la pieza que se va a fundir. Se obtiene, en general, comprimiendo arena sobre el modelo, que se retira después. Cuando el molde es metálico, se llama coquilla. Las partes huecas de las piezas fundidas se obtienen colocando bloques macizos (machos) de arena, cuya forma exterior coincide con la interior que se desea reproducir. Arenas de fundición:

Empleadas en la elaboración de moldes y machos. Formadas por granos de arena refractaria rodeados de un aglomerante para darles cohesión. Características fundamentales: a. Plasticidad en estado húmedo, para reproducir con fidelidad los detalles de la superficie del modelo. b. Cohesión , para que conserven su forma cuando se retire el modelo, o se cuele el líquido. c. Refractariedad, o capacidad para resistir la elevada temperatura del metal colado. d. Conductividad calorífica, que regula la velocidad de enfriamiento del metal en el molde, y con ello, su estructura. La arena seca es menos conductora que la húmeda. e. Permeabilidad , o capacidad para dejar pasar los gases que se originen en la colada. f. Deformabilidad para comprimirse y permitir la contracción de la pieza durante su enfriamiento. g. Facilidad de disgregación , para desalojar la pieza después de enfriada. h. Bajo coste. Las arenas que satisfacen estas cualidades están formadas por granos de sílice (SiO2) y cierta cantidad de arcilla y humedad que actúan como aglomerantes de los granos. Los granos de sílice hacen que la arena sea refractaria y permeable, mientras que la arcilla y la humedad le comunican plasticidad y cohesión.



Pág. 13

También se emplean arenas con granos de circonia (ZrO2), toria (ThO2), berilia (BeO) y otras. Son más refractarias, pero más caras. Origen: Las arenas pueden ser naturales o sintéticas, según de donde se obtengan. Arenas naturales: Forman sedimentos procedentes de la acción erosiva del viento, agua o glaciares. Cuando el porcentaje de arcilla y sílice es el correcto para elaborar los moldes. Como sus componentes no están uniformemente distribuidos, tienen que sufrir un tratamiento adecuado antes de su empleo. Arenas artificiales o sintéticas: Se preparan mezclando porcentajes adecuados de sílice, arcilla (u otros aglomerantes) y agua. Posibilita la obtención de las características deseadas con uniformidad. Tipos: Arena verde: Arena húmeda con el agua imprescindible para darle plasticidad y cohesión. Se emplea para piezas de pequeño tamaño. El % de humedad debe ser bajo (< 8%) para evitar que se desprendan mucho gases durante la colada y se formen porosidades. Arena seca: se elimina la humedad de los moldes calentándolos en estufas o al aire. Se usan para fundir piezas grandes o de formas complicadas y cuando se desee una elevada calidad. Tiene mayor resistencia mecánica, menor tendencia a producir poros, mayor precisión dimensional, pero es más cara. Arena vieja: la que se obtiene al desmoldear las piezas fundidas. Su arcilla pierde propiedades aglomerantes por la temperatura a la que se ha sometido. Se regenera adicionándole arcilla en la proporción adecuada. Arena de moldeo: la que entra en íntimo contacto con el metal fundido. Es arena nueva o regenerada. Arena de relleno: la que envuelve a la de moldeo y llena el resto de la caja. Se emplea arena vieja o usada. Arena para machos: Con aglomerantes especiales para machos. Aglomerantes:

Sustancias que mezcladas con los granos de arena les comunican plasticidad y cohesión.



Pág. 14

Aglomerantes inorgánicos: Se usan preferentemente en las arenas de moldeo. Arcillas: Minerales que se vuelven plásticos cuando absorben cierta cantidad de agua. Su principal componente es el silicato alumínico hidratado. Si4Al4O10.(OH)8. Se presentan en forma de polvo fino, de diámetro inferior a 20 micras, con estructura en láminas o escamas delgadas. Arcillas caoliníticas: En forma de escamas exagonales alargadas. Tienen un elevado poder refractario (resisten hasta 1500 ºC), se contraen muy poco. Proceden de la descomposición de feldespatos y micas. Arcillas illíticas: Proceden de la descomposición de las micas. Arcillas bentoníticas: Proceden de la descomposición de cenizas volcánicas. Hay dos tipos: bentonítica sódica y bentonítica cálcica. Acción aglomerante de las arcillas: Existen varias teorías que intentan explicarla: Aglomeración por acción electrostática: El agua es una molécula dipolar, que se adhiere por su parte positiva a la superficie de las escamas de arcilla, de forma que el conjunto escama arcillosa – agua presenta una carga superficial negativa. En los granos de cuarzo de la arena sucede al revés y la carga superficial es positiva. La unión entre ambos tiene lugar por la interposición de una tercera capa de agua. Si la cantidad de agua no es suficiente para que se formen estas tres capas, la arcilla aparece seca y con poco poder aglomerante. Si la cantidad de agua es superior, la plasticidad aumenta pero la resistencia disminuye.

Aglomeración por rozamiento entre las partículas arena – arcilla: (Teoría de bloque y cuña). La cohesión es debida a las fuerzas de rozamiento que se desarrollan entre las partículas de arena – arcilla cuando se las comprime en las cajas de moldeo. Aglomeración por fuerzas de tensión superficial: El agua que rodea a las partículas de cuarzo y arcilla llena los espacios capilares. Si entre dos láminas delgadas de vidrio se interpone una delgada capa de agua, se desarrolla entre ellas una fuerza atractiva, que es mayor cuanto más delgada es la película acuosa. Esto explica el hecho de Diseño de moldes y modelos de fundición. (1DFM)


Pág. 15

que, al desecar la arena, aumenta la cohesión, por disminuir el espesor de la capa de agua que envuelve a los granos de arena – arcilla. Silicato sódico: Conocido como vidrio soluble. Se obtiene de la unión de sílice con carbonato o hidróxido sódico. SiO3Na2. Cemento: Para arenas de moldeo. Se usa sílice con agua y 10% de cemento Portland. Aglomerantes orgánicos: Se usan en las arenas para machos, dan cohesión en verde (propiedad aglutinante) y resistencia después del secado (propiedad aglomerante). Otros materiales usados en el moldeo:

Para minimizar la expansión de la arena, al pasar el cuarzo de β a α. Se emplean para este fin óxido férrico, serrín y otros. Recubrimientos o aislantes: para obtener una superficie del molde lo más lisa posible. Su misión es evitar que el metal vitrifique la arena o reaccione con ella. Para ello se usan sustancias muy refractarias, que se depositan en capa delgada sobre la superficie de los moldes y machos. Se usan: talco, caolín, mica, alúmina, etc. Preparación de las mezclas de arenas de moldeo:

Tratamiento previo de arenas y arcillas procedentes de canteras: Con objeto de homogeneizarlos se someten a: 



Secado: en hornos rotativos para facilitar la trituración posterior. Molido: se hace pasar la arena seca entre dos cilindros paralelos. Se elimina los trozos grandes.



Pág. 16



Tamizado o cribado: para separar las partes más gruesas y clasificar la arena en los tamaños de grano adecuados. Se usan tamices vibratorios, de tambor rotatorio o de sacudidas.

Tratamiento previo de arenas procedentes de desmoldeo: Esta arena suele estar aglomerada en terrones gruesos conteniendo rebabas, clavos, alambres, trozos de metal, etc. Este tratamiento se realiza cuando el coste de las instalaciones se puede amortizar a expensas del menor coste de la arena regenerada que la nueva. Operaciones a las que se somete: 

Molido: para romper los terrones de arena. Se hace pasar por dos cilindros paralelos.



Separación de las partículas metálicas magnéticas: mediante imanes.



Tamizado o cribado: análogo al anterior.

Obtención de las mezclas: Una vez determinada la composición más adecuada de la arena de moldeo, se procede a la mezcla de las partes componentes hasta obtener un producto homogéneo. Operaciones a realizar:



Pág. 17

Dosificación: mediante dosificadores que dejan pasar la cantidad necesaria de cada material. En instalaciones pequeñas se efectúa por pesada. Mezclado: para distribuir de forma homogénea la arena, arcilla y otros componentes. La operación se realiza en mezcladoras, los primeros minutos en seco, después se adiciona el agua necesaria para que cada grano de sílice esté envuelto por una delgada capa de arcilla y que la arena tenga la máxima plasticidad. Las mezcladoras usadas son del tipo molino frotador.

Desintegración – aireación: para deshacer los terrones duros formados en la operación anterior. La arena se lanza al aire mediante una máquina provista de una correa con dientes o mediante una pala que gira en el interior de un armazón.

Preparación de las arenas de relleno: No requiere tantos cuidados como la de moldeo. Se puede usar la arena preparada para moldeo. ENSAYO Y CONTROL DE LAS ARENAS: Su objetivo es determinar las características esenciales de las arenas de fundición. Los métodos más empleados se ajustan a las normas AFS (American Foundrymen´s Society) y a DIN (Deusche Industrie Normen). Se realizan los siguientes ensayos: Investigación de impurezas y composición química: La impureza más corriente es el carbonato cálcico CO3Ca, que es perjudicial porque rebaja la refractariedad y desprende gases durante la colada. La presencia del carbonato cálcico se observa por la efervescencia que produce el desprendimiento de CO2 al tratar la arena con ácido clorhídrico diluido. Diseño de moldes y modelos de fundición. (1DFM)


Pág. 18

Humedad: Cantidad de agua que se evapora completamente a la temperatura de 100 – 110 ºC. Se expresa en porcentaje y se determina desecando 20 g de arena, en una estufa o con una lámpara de infrarrojos. Si el contenido de humedad de la arena es elevado, disminuye la permeabilidad y aumenta el desprendimiento de gases durante la colada (peligro de sopladuras); si es bajo, disminuye la cohesión. Es necesario mantener la humedad lo más baja posible compatible con una buena resistencia. Este valor es función del contenido en arcilla.

La mejor plasticidad se obtiene cuando el grado de humedad es de 4 a 6%, que se corresponde con la densidad mínima. Refractariedad: Se mide por la temperatura a la que comienza la vitrificación o reblandecimiento de los granos de arena. Se determina introduciendo la arena en un horno con control de temperatura durante 3 minutos, al cabo de los cuales se saca del horno, se deja enfriar y se observa con una lupa. Si no ha comenzado la vitrificación, se repite la operación con otra muestra, elevando la temperatura 50 ºC, y así, sucesivamente hasta la temperatura en que aparecen granos vitrificados. La refractariedad que debe poseer una arena es función de la temperatura de colada del metal y del espesor de la pieza. Así, si queremos fundir bronces y metales ligeros ha de ser superiora 1000 ºC, para fundición gris superior a 1250 ºC y para acero, superior a 1350 ºC. Materias impalpables o arcilla AFS: Son todas aquellas partículas de la arena cuyo diámetro es inferior a 20 µm, con independencia de su composición química. El contenido de arcilla AFS se determina agitando durante 10 minutos, 20 g de arena seca, en una solución de sosa caústica, para separar los granos de sílice de la arcilla que los envuelve. Por su contenido en arcilla, las arenas se clasifican en: Magras: si es inferior al 10% de arcilla. Semigrasas: si oscila entre el 10 y el 20%. Grasas: entre 20 y 30%. Muy grasas: contenido de arcilla superior al 30%. • • • •

Granulometría: Expresa el porcentaje de los granos de cada tamaño de arena. Para determinarla, se hace pasar el residuo de sílice seca procedente de la determinación de la arcilla AFS por un juego de tamices, de abertura de malla decreciente. Se pesan Diseño de moldes y modelos de fundición. (1DFM)


Pág. 19

los residuos de cada tamiz y se calculan los porcentajes con relación al peso de la muestra original seca (arcilla + sílice).

Con estos valores puede obtener: a) Índice de finura AFS, expresado en una cifra que es proporcional a la inversa del diámetro del grano medio. Se calcula multiplicando los porcentajes de arena retenida en cada tamiz por el factor correspondiente según la tabla, se suman los productos obtenidos y la suma se divide por el % total de granos de arena. b) Curva de frecuencia del tamaño de los granos, tomando en abcisas el número del tamiz o el logaritmo de su abertura expresada en micras y en ordenadas el porcentaje de arena retenido en cada tamiz.

c) Curva aditiva o acumulativa, tomando las mismas abscisas que en la curva anterior y en ordenadas los porcentajes acumulados, o sea, sumando el % de un tamiz al de los anteriores. Si la pendiente de esta curva es elevada, indica que los granos de la arena están distribuidos convenientemente (granos acumulados en 3 tamices consecutivos). Lo contrario ocurre en las curvas de poca pendiente. Cuando la arena se usa en varias coladas sucesivas, la pendiente va disminuyendo y la curva se desplaza hacia la derecha, debido a que los granos se rompen (por el calor que desprende el metal fundido en el molde) y disminuyen de tamaño. Según el diámetro de los granos, las arenas se clasifican en: • • •

Muy fina: 20 – 50 µm. Fina: 100 – 250 µm. Media: 250 – 500 µm.



Pág. 20

• •

Gruesa: 500 – 1000 µm. Muy gruesa: 1000 – 3000 µm.

Forma y aspecto superficial de los granos: Se determina con lupa o microscopio. Las arenas se clasifican: a) Por la forma de los granos, arenas de granos redondeados, angulares o semiangulares. b) Por el aspecto de su superficie, arenas de granos lisos y rugosos. Los granos redondeados dan mejor permeabilidad que los angulares. La unión de los granos por un aglomerante es superior en los de superficie rugosa que en los de superficie lisa. Permeabilidad: Mide la aptitud de la arena para dejarse atravesar por los gases que se producen en la colada. Según AFS se caracteriza por el índice o coeficiente de permeabilidad (P). Este coeficiente se determina usando probetas normalizadas de 2 pulgadas de altura por 2 de diámetro, apisonadas dentro de un cilindro metálico. Las probetas así preparadas se colocan en un permeámetro y se hace pasar a su través un volumen V = 2000 cm3 de aire a presión constante p = 10 cm de agua.

El tiempo (en minutos) empleado en el paso del aire viene dado por la fórmula: 1 V .h t , de aquí obtenemos: P V .h , donde h y S son la altura y sección de la =

P p.S

=

p.S .t

probeta. La permeabilidad de la arena tiene su mayor importancia en el momento de la colada, cuando el metal líquido se pone en contacto con las paredes del molde y se origina la evaporación de la humedad. Si estos gases no pueden ser evacuados a través del molde, quedan aprisionados en el metal y producen sopladuras. El valor del coeficiente de permeabilidad (P) es función de: • •

Forma de los granos: P máximo en los redondeados y mínimo en los angulosos. Tamaño de los granos: P disminuye al disminuir el tamaño, y es tanto menor cuanto más irregulares son.



Pág. 21

•

•

•

Contenido de arcilla: Si aumenta, disminuye el espacio entre los granos y, con ello, la permeabilidad.

Contenido de agua: si es elevado, se llenan los espacios intergranulares y disminuye la permeabilidad.

Grado de apretado: cuanto más apretados los granos, más se reduce el espacio entre ellos y menor es P.

Dureza o grado de apretado superficial: Se mide con el durómetro, por la penetración en la arena de una bola de acero. Fluencia o plasticidad: Aptitud de la arena para apretarse uniformemente alrededor del molde. Se determina sobre una probeta análoga a la de permeabilidad, midiendo la Diseño de moldes y modelos de fundición. (1DFM)


Pág. 22

dureza Hs (en la superficie superior) y Hi (en la cara inferior). La cifra de fluencia viene dada en % por la expresión: F =

100. Hi

Hs

Resistencia mecánica: Las arenas de moldeo tienen que resistir, por su propia cohesión, los esfuerzos que se originan durante la manipulación de los moldes y los que se desarrollan en la colada por la presión del metal fundido. Esta resistencia se determina sobre probetas normalizadas, a distintas temperaturas, sometidas en máquinas de ensayos a esfuerzos de: Tracción: La probeta, sujeta mediante mordazas adecuadas, se somete en la máquina de ensayos mecánicos a un esfuerzo de tracción progresivamente creciente hasta la rotura. La tensión de rotura es F max , siendo S la sección mínima de 5 cm2.



σ R



=

S

Compresión. Deformabilidad: La probeta, igual a la de permeabilidad, se coloca entre dos mordazas planas y se le aplica una carga progresivamente creciente hasta que se desmorona. La resistencia a la rotura es σ RC

=

F max S

Este ensayo se puede realizar a la temperatura ambiente y hasta 1700 ºC, con máquinas especiales provistas de horno. La deformabilidad nos la indica la disminución de longitud que experimenta la probeta hasta la rotura. Se expresa en tanto por ciento. Cizalladura: La probeta se coloca entre dos mordazas escalonadas que producen su rotura por corte en sentido longitudinal del eje de la probeta. La tensión tangencial de rotura es: F max , donde S es la sección longitudinal de la probeta (5,5 cm2).



τ R



=

S

Flexión: Se realiza sobre una probeta alargada, apoyada en sus extremos y la carga concentrada actuando en el centro. La resistencia a la flexión es 6.F max . L , donde Fmáx es la fuerza de rotura, L es la distancia entre apoyos σ f

=

4.a

(15 cm), a es la altura de la sección de la probeta (2,24 cm).



Pág. 23

Apuntes fundiciones

Recommend Documents