Practica 1 Conformado Por Fundicion

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MATERIALES I:

PRÁCTICAS DE LABORATORIO Conformado por fundición por Víctor Blázquez

Conformado por fundición

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PRÁCTICA I: CONFORMADO POR FUNDICIÓN _______________________________________ _________________________________________ __ 1.PROCESOS DE CONFORMADO DE PIEZAS METALICAS

3

2. CONFORMADO POR FUNDICIÓN POR FUNDICIÓN

21

NTRODUCCIÓN 2.1. I NTRODUCCIÓN

21

2.2. MOLDES Y MODELOS .

22

2.3. ARENAS DE FUNDICIÓN

34

2.4.PROCESOS DE MOLDEO

37

2.5. MÁQUINAS Y LÍNEAS DE MOLDEO

45

2.6. ALIMENTACIÓN DE LOS MOLDES

48

2.7. FUSIÓN Y COLADA

49

2.8. E NFRIAMIENTO, DESMOLDEO Y ACABADO

52


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PRÁCTICA I: CONFORMADO POR FUNDICIÓN _______________________________________ _________________________________________ __ 1.PROCESOS DE CONFORMADO DE PIEZAS METALICAS

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2. CONFORMADO POR FUNDICIÓN POR FUNDICIÓN

21

NTRODUCCIÓN 2.1. I NTRODUCCIÓN

21

2.2. MOLDES Y MODELOS .

22

2.3. ARENAS DE FUNDICIÓN

34

2.4.PROCESOS DE MOLDEO

37

2.5. MÁQUINAS Y LÍNEAS DE MOLDEO

45

2.6. ALIMENTACIÓN DE LOS MOLDES

48

2.7. FUSIÓN Y COLADA

49

2.8. E NFRIAMIENTO, DESMOLDEO Y ACABADO

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1. PROCESOS DE CONFORMADO CONFORMADO DE PIEZAS METALICAS METALICAS La variedad de piezas que requiere la sociedad actual ha desarrollado un conjunto de procesos industriales, con objeto tanto de aumentar la calidad de los productos como de abaratar su coste. Es misión del ingeniero decidir entre todos los posibles procesos de que hoy se dispone cuál es el que, para una pieza determinada, proporciona una mejor relación calidad / precio. El problema es en sí bastante más complejo, pues un proceso imprime a la pieza no sólo una morfología determinada sino unas características tecnológicas, lo que obliga a conocer tanto el proceso en sí como el material a que se aplica. Los procesos de conformado suelen clasificarse en función del tipo de energía puesta en juego, juego, por ello suele suele hablars hablarse e de proceso procesoss de conforma conformado do térmicos térmicos y proceso procesoss de conform conformado ado mecánicos. Es evidente que, en general, en todo proceso se desarrollarán ambos tipos de energía, pero una de ellas será preferente pues sin su aplicación aquél sería inviable. No debe confundirse pues la cuantitatividad de la energía aplicada con su funcionalidad. La palabra caliente o frío hace referencia al material a que se aplica. Cuando en un proceso se supera la temperatura de recristalización, T r , del material se habla de proceso en caliente, y cuando no se alcanza dicha temperatura se habla de proceso en frío. Trabajando por encima de T r las aleaciones, durante su deformación, no sufren acritud y pueden deformarse plásticamente sin endurecerse. Esta capacidad de deformación es la que utilizan los procesos de conformado en caliente tipo forja, martillado, recalcado, prensado, extrusión, laminado, forjado por impacto, forjado por estampación, etc. Cuando el metal se trabaja en frío (por debajo de T r ) la deformación endurece el material como consecuencia del alargamiento de los granos en la dirección del esfuerzo aplicado, y se habla entonces de procesos en frío: forjado, laminado, estampado, estirado, extrusión, etc. El trabajo en frío de estos procesos impone unos grados de deformación menores que los correspondientes a los procesos en caliente. Otros procesos en frío que no producen acritud en el material, porque no suponen una deformación en el mismo, son todos los procesos de mecanizado por arranque de viruta: fresado, torneado, cepillado, taladrado, aserrado, esmerilado, etc. En otros procesos en frío que utilizan energía mecánica se produce sólo deformación en partes localizadas del material: embutición, rolado, plegado, etc. Conformado por fundición

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Todos los procesos de soldadura y metalización (proyección de metal fundido a alta velocidad) utilizan la energía térmica como fuente principal del proceso, y se suelen utilizar como procesos intermedios en una fabricación mixta. Los modernos procesos de conformado por explosivos, conformado electrohidráulico y conformado electromagnético (llamados procesos de conformado de alta velocidad), se utilizan cuando se requieren energías superiores a los 2·10 6 J. Estos procesos se aplican a materiales de alta resistencia mecánica en los que una onda de choque generada por medios químicos (conformado por explosivos), eléctrico (conformado electrohidráulico) o magnéticos (conformado electromagnético) hace al material fluir libremente dentro de la cavidad de una matriz. En el sinterizado se parte de polvos que se compactan por presión con aditivos especiales para luego ser calentados a temperaturas por debajo de la de fusión del metal, lográndose piezas con buenas características físicas y mecánicas. Se pone en juego pues tanto la energía mecánica como la térmica. En otros procesos más modernos se utiliza la energía eléctrica para el mecanizado. Generalmente los electromecanizados consiguen un mejor acabado superficial y control dimensional que los mecanizados convencionales. Un ejemplo de estos procesos es la electroerosión. No pueden olvidarse los novísimos procesos de mecanizado por láser que en un futuro, no lejano, pueden revolucionar tanto el mecanizado como las técnicas de endurecimiento por tratamiento superficial de aleaciones. Por último, y por ser el objeto fundamental de esta práctica, se describirá el método más antiguo de conformación de piezas, y que sigue siendo el más utilizado en el caso de piezas complicadas: la fundición. Se ha definido este método como el proceso más corto entre el metal fundido y la pieza acabada. Sin duda para una gran parte de piezas sigue siendo el único proceso de elección, seguido de un mecanizado posterior, para obtener piezas sanas de formas complicadas en gran variedad de tamaños, y con excelentes acabados superficiales y dimensionales. Antes Antes de empeza empezarr la descripc descripción ión más detallada detallada de la técnica de fundición, fundición, se esquematiz esquematizan an algunos de los procesos de conformado mencionados anteriormente para comprender en forma somera la naturaleza del proceso, ya que una descripción más detallada escapa de los contenidos de esta práctica. En el cuadro siguiente se han clasificado los procesos de conformado de mayor implantación industrial. Conformado por fundición

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siderurgia.etsii.upm.es A partir de una una

MECANIZADO

preforma

(Arranque de viruta)

POR LASER LAPEADO ELECTROEROSIÓN MECANIZADO CLÁSICO

Esmerilado Aserrado Fresado Torneado Cepillado Taladrado Limado, etc.

CONFORMADO POR

INSTANTÁNEO

DEFORMACIÓN

POR ONDA DE

Medios químicos

CHOQUE

Medios eléctricos Medios magnéticos

LENTO

CALIENTE

Forja por estampación Forja por impacto Martillado

O D A M R O F N O C

Extrusión Laminado Forja

Estirado Recalcado Prensado

FRÍO SOLDADURA

PARTE DE LA

Acuñado

PIEZA

Embutición Rolado Plegado

REMACHADO TODA LA PIEZA

Forja Laminado Estampado Estirado Extrusión Trefilado

A partir de polvo polvo

PULVIMETALURGIA METALIZACIÓN

A partir de metal metal líquido A partir de disolución iónica

FUNDICIÓN

GALVANOPLASTIA


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Aumento en longitud

Fuerza

Reducción en longitud Pieza

Pieza Yunque

Presión Fuerza

Yunque

Aumento multidireccional

Pieza Presión

Fig. 1.- Tipos principales de operaciones de forjado. (a) Estirado; (b) Recalcado; (c) Prensado

Material en bruto

Matriz

Matriz

Fuerza

Fuerza

Fig. 2.- Máquina de forjar por impacto


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siderurgia.etsii.upm.es Fuerza de sujeción

Línea de separación

Matriz Fuerza de forjar

Punzón Matriz Material en barra

Fuerza de sujeción

Punzón

Fig. 3.- Forjado por recalcado

Rodillo de soporte

Ángulo de desbaste o de ataque

Retorno

Rodillo superior Rodillo inferior

(a)

(b)

(c)

Rodillo de soporte

(d)

Fig. 4.- Laminación. (a) Dos rodillos; (b) Tres rodillos; (c) Cuatro rodillos; (d) Encerrados


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siderurgia.etsii.upm.es Rodillo superior

Deformación final

Deformación inicial

Recristalización Crecimiento de grano

Cristales alargados

Rodillo inferior

Fig. 5.- Recristalización durante el laminado en caliente

Mástil de velero

Mástil de velero

Fig. 6.- Algunas formas de extrusiones


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Cilindro libre Punzón hueco

Matriz Fuerza

Punzón

Metal caliente

Fuerza

Metal caliente Extrusión

Extrusión

Fig. 7.- Extrusión. (a) Directa; (b) Indirecta

Bloque de la matriz Tocho

Punzón

Fuerza

Fig. 8.- Extrusión por impacto


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(a)

(b)

Fig. 9.- Estructura cristalina. (a) Antes del trabajo en frío; (b) Después del trabajo en frío.

Rodillos de soporte Rodillos de trabajo Rodillos de trabajo Rodillos de soporte

Fig. 10.- Laminación en frío


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Preformado

Corte

Acabado

Expulsión Preformado Sujetador

Acabado

Expulsor Expulsor

Acuñando a medida

Fig. 11.- Forjado en frío

Punzón de acuñar

Cara de la impresión

Disco

Matriz de acuñar

Fig. 12.- Acuñación


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Punzón matriz (juego remachador)

Remache Material

Barra de soporte

Fig. 13.- Remachado

Matriz Empujador

Tocho o disco

Fluido

Fig. 14.- Extrusión hidrostática


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Extrusión

Matriz Disco

Punzón empujador

(a)

Extrusión

Matriz Punzón empujador

Disco (b) Fig. 15.- Extrusión por impacto. (a) Inversa; (b) Hacia adelante

Calibre o tope Lámina de metal

Hoja dobladora

Metal

Fig. 16.- Plegadora de barra


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(b)

(a)

Fig. 17.- Uso de los rodillos conformadores. (a) Entrada; (b) Rolado

Rodillos

Rollo de metal

Rodillos

Canalón formado por rodillos Fig. 18.- Conformado por rodillos


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Punzón

Anillo sujetador

Pieza

Anillo de embutición

Fig. 19.- Embutición

Ariete

Placa del punzón Bujes

Portamatriz

Pernos de guía Tope de la matriz Portamatriz Base de la prensa

Fig. 20.- Conformado con matriz sólida


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Ariete

Pieza de material Bloque conformador

Caucho

Antes del conformado

Conformado

Fig. 21.- Proceso de conformado de Guerin

Fluido hidráulico

Ariete Neopreno Caucho Pieza de material Mesa deslizante

Bloque conformador

Antes de conformar

Conformado

Fig. 22.- Proceso de conformar de Verson-Wheenlon


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Caucho o hule

Pieza de material Punzón Pistón Aceite hidráulico

Conformado

Antes de conformar

Fig. 23.- Proceso de Marconformado

Entrada de aceite

Pieza de material

Diafragma de caucho

Punzón

Antes de conformar

Conformado

Fig. 24.- Proceso de hidroconformado


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Hoja superior

Zona de cizallado

Metal

Metal

Metal

Hoja inferior

Fig. 25.- Acción cizallante. (a) Deformación plástica; (b) Cizallado; (c) Fractura

Metal Punzón Bloque matriz Pieza troquelada

(a)

Pieza perforada

Punzón

Bloque matriz

(b)

Punzonadura

(c)

Fig. 26.- Operación sencilla, operación de dos estaciones de perforar y cortar a troquel (arandela troquelada). (a) Pieza cortada a troquel; (b) Perforado; (c) Parte terminada-arandela cortada


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siderurgia.etsii.upm.es Reflector Pieza de trabajo

Carga Fuerza

Sujetadores Sello de caucho Matriz

Vacío

Fig. 27.- Conformado por explosivos con un reflector parabólico (matriz cerrada).

Banco de capacitores Dispositivo de encendido

Fluido de transferencia

Sello Pieza de trabajo

Matriz

Vacío

Fig. 28.- Conformado electrohidráulico de alta velocidad


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Pieza de trabajo

Bobina

Matriz

Fig. 29.- Conformado electromagnético

Medidor de flujo

Recipiente del polvo Orificio de control

Aire comprimido y seco

Acetileno

Válvulas Gatillo

Oxígeno

(a)

Gatillo Cuerpo del soplete

Válvulas

Acetileno

Oxígeno

Recipiente para el polvo

Boquilla del soplete (b)

Fig. 30.- Sistema de rociado con metal en polvo. (a) Sistema de presión; (b) Sistema sin presión


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2. CONFORMADO POR FUNDICIÓN 2.1. Introducción El conformado por fundición, o por moldeo y colada, o más corrientemente el proceso de “fundición” de una pieza, está basado en la propiedad que tienen los líquidos de adaptarse a la forma del recipiente que los contiene. El conjunto de volúmenes que permiten, una vez rellenados por un metal en estado líquido y tras su solidificación, obtener una pieza con una forma determinada es lo que se llama “molde”. El molde está formado en el caso más sencillo por un volumen hueco que reproduce la forma exterior de la pieza, más el canal de alimentación del metal fundido (bebedero), rodeado por una masa de material, refractario o no (arena, metal, etc.), cuya misión es soportar los esfuerzos térmicos, mecánicos, físicos y químicos que se generan al verter en él el metal líquido: gradiente térmico entre el metal líquido y el material del molde, presión metalostática del metal fundido, abrasión del material del molde por el metal fundido, reacciones químicas entre el metal y el material del molde, presión de los gases desprendidos, etc. El proceso de obtención del molde es conocido por “moldeo”, mientras que el vertido del metal en el molde se llama “colada”. La obtención de una pieza tras moldeo y colada se llama “fundición”. Es muy habitual hablar de “piezas de fundición”, terminología que no hace referencia al material sino al proceso de obtención y que da lugar, frecuentemente, a confusiones entre el proceso y el material cuando éste es la aleación férrea de alto contenido en carbono conocida también por “fundición”. El proceso de obtención del metal líquido, sea cuál sea éste, se conoce por fusión. Para la fusión de aleaciones férreas se parte de lingotes de hierro, chatarra, ferroaleaciones y metales puros (Al, Cu, Ni, etc.), así como de retornos de coladas precedentes; en el caso de aleaciones no férreas se utilizan lingotes de “aleaciones madres” que tienen composiciones prefijadas, así como también metales puros, retornos, etc. No debe entenderse que la fusión es una simple operación de calentamiento que conduce al cambio de estado sólido-líquido, pues en ella intervienen una serie de complejos procesos físico-químicos, difíciles de controlar y evaluar por la temperatura a la que se producen, que permiten al metalúrgico el “afino” del metal: obtención de una aleación partiendo de una composición inicial distinta. El afino es la consecuencia de la interacción entre el “baño metálico” y la “escoria”

que sobrenada aquél; esta escoria es un material activo,

frecuentemente de adición intencionada, y de composición química variable durante la fusión;


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siderurgia.etsii.upm.es no es, por tanto, como se piensa habitualmente, un producto de desecho formado por las impurezas contenidas en la materia prima. El proceso de fundición de una pieza conlleva una serie de operaciones que se indican en el esquema siguiente; en adelante para el estudio del proceso se seguirá el orden allí indicado.

Diagrama de fabricación de una pieza por fundición Proyecto de la pieza (proyectista + modelista + fundidor ) Ejecución del modelo y cajas de machos ( modelista)

Preparación de la coquilla

Preparación de la arena

Moldeo en arena (molde perdido)

Ejecución de la coquilla (modelista)

Obtención del molde

Moldeo en coquilla (molde permanente)

Colada

Preparación del lecho de fusión

Enfriamiento y solidificación

Recuperación de la arena

Retornos (mazarotas, bebederos, virutas, etc)

Desmoldeo

Acabado

Mecanización

Tratamientos térmicos, recubrimientos, etc. Virutas (retornos)

2.2. Moldes y modelos. Para obtener el molde es preciso disponer de una reproducción de la forma exterior de la pieza, esta reproducción se llama modelo.


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siderurgia.etsii.upm.es En el caso de la pieza “a” representada en la figura 31 si se considera sólo la superficie exterior cilíndrica se necesitará un modelo como el “b”, llamado modelo externo pues sólo permite reproducir la superficie exterior de la pieza. El modelo externo permite obtener en el material de moldeo (usualmente arena) una huella que es la reproducción en negativo de la superficie exterior de la pieza; ahora bien, si se quiere obtener la pieza directamente con el agujero pasante se necesitará disponer en dicha huella una pieza maciza de morfología exterior igual a la del agujero, que evite que el metal líquido lo rellene. Esta pieza maciza situada en el interior del molde se llama “macho”, mientras que las zonas del molde sobre las que se asienta el macho se llaman “porteas”. Es lógico pensar que las solicitaciones a las que está sometido el macho (térmicas, mecánicas, abrasivas, etc.) sean incluso más exigentes que a las que está sometida la huella creada por el modelo exterior: es decir, si para metales o aleaciones de punto de fusión superior a los 1.100ºC es obligado el empleo de materiales de moldeo de alta refractariedad, como la arena, para la fabricación de machos se emplea igual material pero con aún mayores exigencias de calidad. Para obtener el macho se necesita un modelo, llamado modelo interno, que en esencia es similar al modelo externo: lo que en modelos externos es macizo es hueco en los modelos internos, reproduciendo ambos la superficie exterior de la pieza y el macho, respectivamente. Los modelos internos son, por tanto, un volumen macizo que rodea a uno hueco, siendo la forma de éste igual a la del hueco que debe existir en la pieza. En el caso de la figura 31 el volumen macizo es el “c”, llamado caja de machos, mientras que el volumen hueco es el macho “d”, fabricado en arena, de igual volumen que el agujero pasante de la pieza fundida “a”. En la figura 32 se aprecia el molde que permitiría obtener dicha pieza. Existen, por tanto, dos tipos de modelos: •

Modelos externos o modelos propiamente dichos

•

Modelos internos o cajas de machos


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a

b

c d

Fig. 31.- Pieza de fundición a, modelo b, con macho d realizado en la caja de machos c , de un cilindro hueco.

Fig. 32.- Moldeo de la pieza anterior a punto de cerrar la caja. Obsérvese la posici ón del macho.


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siderurgia.etsii.upm.es Se ha visto que los materiales que componen el molde deben resistir unas determinadas solicitaciones y, de entre ellas, las térmicas son, quizás, las más importantes. En el caso de aleaciones de punto de fusión superior a 1.100ºC el moldeo convencional no permite otros materiales distintos a la arena silícea como se verá más adelante. Sin embargo, para aleaciones de menor punto de fusión (aluminio, magnesio, cinc, etc.) es posible el empleo de moldes metálicos, refrigerados o no, llamados coquillas. Las coquillas metálicas equivalen a lo que en el moldeo en arena es el molde, es decir, incorporan tanto la superficie exterior como la interior de la pieza. Estas coquillas metálicas son un molde permanente que permite la obtención de piezas en grandes series con bajo coste por pieza. Por supuesto, el coste de fabricación de la coquilla es muy alto y sólo se justifica tras un estudio económico detallado de las piezas a fundir. Estas coquillas son igualmente utilizables en el moldeo de materiales no metálicos y encuentran una gran aplicación en el caso de los plásticos. Tanto en el moldeo con molde perdido (arena) como con molde permanente (coquilla) es siempre fundamental el coste final de la pieza fundida, por lo que la optimización del molde es esencial en ambos casos; es habitual que para piezas pequeñas los moldes permitan obtener no una sino un conjunto de piezas idénticas, en estos casos se habla de moldeo en “racimos”. La definición del racimo (número de piezas óptimo por molde) es un interesante problema de fundición con implicaciones técnicas más allá de las puramente económicas. Al hablar de coquillas como molde permanente, refrigeradas o no según las solicitaciones térmicas, se hace referencia realmente a moldes de fundición y no a coquillas de obtención de semiproductos laminados (colada continua de acero, colada horizontal de aleaciones de cobre, etc.), que sólo son recipientes en los que el metal líquido sufre una solidificación más o menos superficial suficiente para permitir su arrastre por medios mecánicos exteriores. Estos moldes no son verdaderas coquillas de fundición en cuanto que en ellas no se obtienen más que semiproductos largos (perfiles, redondos, etc.) de formas simples. Desde el punto de vista del moldeo puede hablarse, por tanto, de:

•

Moldeo con molde perdido (moldeo en arena)

•

Moldeo con molde permanente (moldeo en coquilla)

Uno y otro tipo de moldeo no sólo difieren en cuanto a los metales a los que se aplica, proceso, coste, grado de acabado, etc., sino a las propiedades mecánicas de la pieza obtenida Conformado por fundición

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siderurgia.etsii.upm.es que dependen, a través de ciertas variables metalúrgicas, de las diferentes velocidades de enfriamiento obtenidas en ambos casos. Por ello las piezas obtenidas en coquilla presentan propiedades mecánicas superiores a las obtenidas por moldeo en arena aún cuando las composiciones químicas son iguales. En el caso de moldes permanentes, y mucho más raramente en el de moldes perdidos, encuentra aplicación la llamada “fundición a presión” o “fundición inyectada”. Este tipo de proceso se caracteriza por la sobrepresión aplicada al metal fundido con objeto de facilitar el llenado óptimo del molde. Es claro que en moldes de cierto tamaño y formas complicadas, el simple llenado por gravedad puede ser insuficiente; en estos casos el metal líquido se inyecta a presión más o menos elevada en el molde, facilitando la obtención de piezas sanas. Este tipo de fundición ha encontrado gran aplicación en aleaciones de bajo punto de fusión (Al, Zn, Mg, etc.) y en materiales no metálicos. Una variedad interesante, intermedia entre la fundición por gravedad y la fundición a presión o inyectada, es la fundición centrifugada. En este proceso la sobrepresión no se aplica al metal antes de entrar en el molde, sino que el giro del propio molde induce sobre el metal una fuerza centrífuga que le obliga a solidificar según una geometría cilíndrica. Esta técnica es la de mayor utilización en el caso de fabricación de tuberías, cilindros, camisas, etc., y en general piezas cilíndricas de paredes más o menos estrechas en relación a su longitud, difíciles de obtener por fundición por gravedad, y que trabajan sometidas a presión. El molde en la fundición centrifugada es permanente, aunque requiera mayores atenciones durante la fabricación que la coquilla metálica, estando formado por un tubo con el extremo cerrado por un tapón refractario sobre el que se deposita por gunitado (proyección a alta velocidad) una masa de material refractario de espesor acorde con el de la pieza a obtener. Este gunitado es indispensable entre colada y colada y, para facilitar el mantenimiento de la geometría cilíndrica del molde, se efectúa siempre con éste en movimiento. La alta velocidad de enfriamiento del metal induce, igual que en el caso del moldeo en coquilla, unas superiores propiedades mecánicas con respecto al moldeo por gravedad.


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I

H G

S R D

B

U

C

T W

P J

E

E

Q W

K

X

K L

N

M

Fig. 33.- Centrifugación de eje horizontal

Esta técnica, aplicable a casi todas las aleaciones industriales, permite interesantes aplicaciones para la obtención de piezas no estrictamente cilíndricas sin más que conjugar geometrías adecuadas, velocidad de giro e inclinación del molde, convenientemente. Este es el caso de la fabricación de proyectiles de mortero, coronas, etc. Los procesos de fundición pueden también, por tanto, clasificarse en función de la presión de colada en: Molde perdido Fundición por gravedad Molde permanente Baja presión Fundición a presión o inyectada Conformado por fundición

Alta presión De eje horizontal Fundición centrifugada

De eje vertical De eje inclinado

En el caso de moldes perdidos lo habitual es el llamado “moldeo en caja”, en el que un recipiente metálico contiene la arena que forma el molde. Estas cajas facilitan el proceso de Conformado por fundición

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siderurgia.etsii.upm.es moldeo aunque supongan un gasto más, no desdeñable a veces, pero contribuyen de forma sustancial a soportar las presiones metalostáticas que podrían originar la rotura del molde sin ellas.

Fig. 34.- Caja de moldeo

Para piezas de tamaño medio o pequeño en grandes series, el coste de inversión y mantenimiento de las cajas puede justificar el llamado “moldeo en mota”. Las motas son moldes de arena que no requieren, por sus características mecánicas, la caja de moldeo. Sin embargo, la obtención de la mota se hace mediante la caja de moldeo, retirándose ésta a continuación. Este moldeo en mota es muy apropiado para altas cadencias de fabricación que requerirán grandes inversiones en cajas de moldeo, aunque la calidad de la arena de moldeo debe ser superior a la del moldeo en caja para garantizar la suficiente resistencia mecánica del molde. En el caso de piezas de gran tamaño se practica el llamado “moldeo en fosa”. El suelo del taller de fundición próximo a la zona de colada, invariablemente de arena y llamado “playa”, es convenientemente acondicionado el propio molde, estando cerrado su parte superior por una caja metálica o un bastidor de obra. El molde se prepara sobre una capa porosa destinada a expulsar, mediante tubos adecuados, los gases formados durante la colada al exterior (figura 35).


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Fig. 35.- Moldeo en fosa. Se prepara el molde sobre una capa porosa de coque o de esc oria destinada a expulsar al exterior, por medio de tubos, los gases que se forman durante la colada. El molde se cubre con una caja.

Si la pieza, ya sea moldeada en fosa, caja o mota no necesita que una de sus caras sea regular, puede disponerse ésta como parte superior del molde y dejarla al aire, hablándose de moldeo descubierto. Este moldeo es el empleado para la obtención de lingotes, bien colados en molde metálico o en arena (figura 36).

Fig. 36.- Moldeo descubierto de lingotes en moldes de arena Conformado por fundición

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Moldeo en caja Moldeo en mota Molde perdido Moldeo

Moldeo en fosa Moldeo descubierto Molde permanente (coquilla)

Desde el punto de vista del moldeo pueden, por tanto, distinguirse los siguientes tipos: Hasta ahora se ha hecho referencia a los moldes perdidos y permanentes y a las variedades de los procesos de fundición y moldeo, en función siempre del tipo de molde utilizado. Se ha visto que para la confección de los moldes perdidos era necesario la utilización de modelos externos e internos (caja de machos) y que los moldes permanentes (coquillas) son en sí moldes y modelos al tiempo. A continuación se estudian con más detalle los modelos externos para el moldeo con molde perdido, dada la importancia de éste con respecto a los otros tipos de moldeo. Enteros Naturales Partidos Modelos externos

De esqueleto o armazón Simplificados

De terraja De plantilla

En primer lugar pueden clasificarse los modelos externos en cuanto a su similitud con la geometría exterior de la pieza a obtener, hablándose de: Los modelos naturales son los que presentan igual superficie exterior que la pieza, independientemente de que ésta contenga volúmenes huecos en su interior que precisen la disposición de machos adecuados. Lo más habitual es que estos modelos sean partidos, es decir, divididos por una sección máxima que proporcione la mayor simetría posible. En los casos de modelo natural partido cada parte puede disponerse sobre una placa, llamada “placa Conformado por fundición

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siderurgia.etsii.upm.es modelo”, que permite el moldeo independiente de ambos semimodelos. La unión de los dos semimoldes permite obtener el molde definitivo. Naturalmente ambos semimoldes confrontan perfectamente por las referencias fijas existentes en las dos placas modelos (figura 37).

Fig. 37.- Semimodelo sobre placa modelo

Los modelos simplificados, muy utilizados para piezas grandes no seriadas de morfología sencilla, no guardan a primera vista relación con la geometría exterior de la pieza a obtener. Estos modelos se clasifican a su vez en modelos de armazón, de terraja o de plantilla, indicándose en la figura 38 ejemplos típicos de estos modelos que permiten comprender su función.

d e

a

b

c

Fig. 38.- Modelos reducidos. En a, modelo de armazón o esqueleto; en b, modelo de terraja; en c , modelo de plantilla

Sea cuál sea el tipo y el material en que esté fabricado (madera, metal, resina, etc.) el modelo debe poderse extraer fácilmente. Para ello lo habitual en los modelos partidos, que son los de mayor aplicación industrial, es que el plano de partición sea de superficie máxima y que Conformado por fundición

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siderurgia.etsii.upm.es las secciones tengan un ligero ángulo de inclinación llamado “salida” para evitar el arrastre del material del molde.

b

m b

a

c

c

b

a

Fig. 39.- Significado de la salida: b son las dos partes del molde; m, la dirección de desmodelado

c

b

Fig. 40.- El molde está abierto y el modelo ha sido extraído

La necesidad de la “salida” obliga a que la forma de una pieza fundida sea ligeramente distinta a la definitiva, así una sección rectangular debe hacerse trapezoidal y una cilíndrica debe ser cónica (figura 41). Estas salidas son del orden del grado y crecientes con la altura del modelo y cuando es preciso que la pieza definitiva responda a una morfología precisa se eliminan por mecanizado posterior de la pieza. Por otro lado la contracción que supone la disminución de temperatura desde la de colada a la ambiente, obliga a tener en cuenta en el proyecto del modelo dicha variación dimensional. Esta contracción es la suma de tres contracciones distintas: una originada por la disminución de temperatura desde la de colada a la de solidificación de la aleación, otra debida al cambio de estado (llamada contracción de solidificación) y una última motivada por la disminución de temperatura en el estado sólido. Esta contracción total es variable de unas aleaciones a otras y, en general, es difícil de calcular siendo muchas las variables que intervienen (configuración de las piezas y moldes, forma de colada, composición del metal, etc.) lo que se traduce en que, incluso para una misma aleación, la contracción sea distinta de unos casos a otros. En general, la contracción puede ser desde prácticamente nula a valores de hasta 20 mm/m para ciertos aceros.


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m c

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Fig. 41.- Manera en que el modelista debe modificar las formas geométricas para dar la salida y hacer posible la extracción de los modelos.

Las dimensiones de los modelos deben tener en cuenta los factores indicados, salidas y contracción, y además para piezas que deben tener dimensiones precisas deben considerarse las llamadas “creces de mecanizado” que se traducen en una mayor dimensión de ciertas cotas para aquéllas superficies que requieran mecanizado por arranque de viruta.


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a

Fig. 42.- En la superficie que haya de ser mecanizada deberá dejarse cierto espesor suplementario de metal.

La experiencia es pues fundamental en el diseño y fabricación del modelo y exige una estrecha colaboración entre el proyectista de la pieza, el modelista, el fundidor y el técnico de mecanizado, si se quiere optimizar costes y garantizar piezas fundidas sanas con un mínimo de rechazos.

2.3. Arenas de fundición Aunque hay procesos de fundición que no requieren el empleo de arena, ésta sigue siendo el elemento fundamental en la mayor parte de los procesos industriales. Las arenas de fundición están formadas fundamentalmente por partículas de sílice y pueden ser naturales, con un aglomerante arcilloso entre el 5 y el 20%, o bien arenas sintéticas que prácticamente han desplazado a las anteriores por sus muy superiores calidades y facilidad de control. Las arenas naturales se encuentran en la naturaleza con cantidades muy diversas de arcilla (SiO4HAl · ½ H2O) como aglomerante natural, y con granulometrías muy variables lo que se traduce en una deficiente permeabilidad a los gases producidos durante la colada y el peligro de aparición de defectos. Estas arenas, prácticamente en desuso en las fundiciones de piezas de calidad, requieren la adición de un 5-8% de agua para su correcta aglomeración. Las arenas sintéticas son arenas naturales lavadas y tamizadas con objeto de eliminar materias contaminantes como carbonatos, feldespatos, cloruros, etc., que disminuyen Conformado por fundición

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siderurgia.etsii.upm.es fuertemente la refractariedad de la arena. El tamizado tiene por objeto homogeneizar la granulometría mejorando con ello la permeabilidad. Estas arenas sintéticas no precisan más del 3-5% de aglomerante que es ahora una variedad de arcilla llamada bentonita. El excelente poder de aglomeración de la bentonita con respecto a la arcilla se traduce en una menor proporción de agua (3-4%) y, por tanto, en una mayor refractariedad de la arena. Por último, existen arenas constituidas por cuarzo triturado con granulometría muy homogénea que no se aglomeran con materias naturales como la arcilla o la bentonita y que se utilizan en procesos de moldeo con aglutinantes artificiales como se verá posteriormente. Estas arenas reciben el nombre de “arenas químicas”. Además de la clasificación de las arenas en cuanto a las características del aglomerante (naturales, sintéticas y químicas), también pueden clasificarse en función de la composición de la propia arena: -

Arena silícea (SiO2)

-

Arena de zirconio (silicato de zirconio)

-

Olivino (silicato de magnesio)

-

Chamota (65% SiO2 – 35% Al2O3)

La arena silícea es la más utilizada, mientras que los otros tipos tienen aplicación cuando se requiere una mayor refractariedad (arena de zirconio) o bien un pH neutro o básico para evitar reacciones entre el metal y la arena del molde (olivino, etc.). La granulometría de la arena es decisiva en el acabado de las piezas fundidas mejorando éste con las arenas de grano fino. El índice AFA indica el número de mallas por pulgada del tamiz. Índices inferiores a 50 AFA indican arenas de grano grueso, aunque este índice no representa el tamaño real de la arena. Normalmente el 80% del peso total de arena se considera que está en 4 tamices. Tan importante como la granulometría es la morfología de la arena. Un factor de forma igual a uno indica arenas de granos esféricos, mientras que las arenas de granos angulosos tienen factores de forma superiores a la unidad. Las arenas esferoidales proporcionan la mayor permeabilidad mientras que las arenas de granos mixtos son las más perjudiciales, sobre todo si además la granulometría es variable y los granos finos taponan los intersticios existentes entre los granos gruesos. Conformado por fundición

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Las características de la arena también influyen en el tiempo necesario para la aglomeración y la cantidad de aglomerante. Las arenas angulares necesitan mayor cantidad de aglomerante, y un menor tamaño aumenta el tiempo necesario para la correcta aglomeración. La importancia de la preparación de la arena en el proceso de moldeo impone un control permanente. Los ensayos normalizados de las arenas de fundición son muy numerosos destacando los siguientes: -

Granulometría

-

Humedad

-

Cantidad de aglomerante

-

Permeabilidad

-

Refractariedad

-

pH

-

Ensayos mecánicos (compresión, tracción, cizalladura, flexión, etc.)

-

Ensayos de fluidez (Ensayo Kyle)

-

Ensayo de tenacidad (índice shatter)

-

Etc.

En ocasiones a las arenas de fundición, especialmente las de menor calidad, se añaden aditivos con fines específicos: polvo de hulla (mejor acabado superficial); almidones, harina de maíz, dextrina (producir atmósferas reductoras); breas, asfaltos y harinas de madera (mejorar fluidez y porosidad); etc. Dada la importancia de la arena en el proceso de fundición la preparación adecuada de ésta se realiza en la llamada “Planta de preparación y recuperación de arenas”. En primer lugar se distingue entre la “arena de contacto” y la “arena de relleno”. La primera es, como su nombre indica, la que tiene contacto directo con el modelo y, por tanto, con el metal fundido, mientras que la segunda completa el molde. Lógicamente la arena de contacto requiere mejores propiedades que la de relleno y su preparación es más cuidadosa. En contacto con el metal fundido y tanto más cuanto mayor sea la temperatura de colada la arena sufre dos tipos de efectos fundamentalmente: rotura de los granos y pérdida de poder aglomerante por calcinación del aglutinante independientemente de su naturaleza (arcilla, bentonita, aglutinantes químicos, etc.). La preparación de la arena requiere restituir sus propiedades iniciales: granulometría, permeabilidad, resistencia mecánica, etc. Para ello la arena utilizada previamente sufre una Conformado por fundición

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siderurgia.etsii.upm.es serie de procesos de tipo mecánico y físicos: desterronado, cribado, eliminación de partículas metálicas y de polvo, adición y dosificación de aglutinante y aditivos, restitución de humedad, mezclado, etc. Al final de estos procesos, que pueden incluir en el caso de aglomeración con agentes químicos el quemado de los restos de aquéllos en la arena usada, la arena es transportada mecánica o neumáticamente a la nave de moldeo. En consecuencia las modernas fundiciones reciclan constantemente la arena de moldeo con objeto tanto de disminuir costes como de regularizar la fabricación por el empleo de una arena de propiedades controladas.

2.4.Procesos de moldeo

2.4.1. Introducción Para el ingeniero es de la máxima importancia conocer los distintos procesos de moldeo aplicables en la actualidad para obtener una pieza determinada, a fin de poder valorar las posibilidades, dificultades y limitaciones de cada uno de ellos, lo que redundará en una mayor calidad y un menor precio de aquélla. Los factores que deben considerarse para la elección de un proceso son los siguientes: dimensiones de la pieza, serie de piezas a fabricar, acabado superficial, precisión dimensional y material. El término serie en fundición, como en otros conformados, está relacionado con el tamaño de la pieza. Prefiere hablarse de tamaño de pieza en vez de peso por las muy diferentes densidades que pueden tener las aleaciones metálicas. Habitualmente se entiende por pieza pequeña la que su mayor dimensión es inferior a 600 mm, pieza media cuando es inferior a 1800 mm y grande cuando los supera. Generalmente, el estudio de los factores indicados para una pieza dada conducirán al proceso más conveniente e, incluso, al coste final aproximado en estado bruto de fundición. Se conocen más de cuarenta procesos aunque su implantación industrial sea muy distinta de unos a otros. Las clasificaciones de los procesos de moldeo atienden a la posibilidad de reutilización del molde, hablándose de procesos con molde perdido y procesos con molde permanente y, también, en los procesos con molde perdido se distinguen los de modelo reutilizable o no. Atendiendo a dichos criterios los procesos más empleados son los siguientes: Procesos de molde perdido y modelo permanente

• •

Procesos de aglomeración natural

•

Procesos de aglomeración química

•

•

Procesos de caja caliente

•

Procesos de caja fría

Procesos especiales


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Moldeo al vacío

Procesos de molde y modelo perdidos

• •

Proceso con modelo de poliestireno

•

Moldeo magnético

•

Procesos con modelo de mercurio

•

Microfusión o fundición de precisión Procesos de molde permanente

• •

Moldeo en coquilla

•

Moldeo por centrifugación

2.4.2. Procesos de aglomeración natural En primer lugar se destacará el que sigue siendo el proceso más importante de moldeo conocido como moldeo “en verde”, así llamado por la aglomeración en húmedo con productos naturales de la arena del molde. El aglomerante de los granos de sílice que componen la arena sintética es la bentonita, bien en su variedad sódica o cálcica, que con el grado de humedad preciso comunica la plasticidad y adherencia requeridas para la obtención del molde. La compactación de la arena se logra por máquinas moldeadoras que comunican la vibración y presión necesarias. Cuando el grado de basicidad del metal líquido puede dar lugar a reacciones con el molde de arena, se sustituyen las arenas silíceas por arenas de olivino o circonio, de precio muy superior. Este proceso de moldeo en verde sigue siendo, a pesar de la proliferación de nuevos procesos, el de mayor aplicación tanto por su bajo precio como por su versatilidad. Actualmente se impone sobre todo en series grandes de piezas, de tamaño pequeño y medio, de aleaciones férreas moldeadas en máquinas automáticas a alta presión con modelo metálico. Los principales inconvenientes del moldeo en verde son la necesidad de un control más preciso de la arena con respecto a los moldeos por aglomeración química, y la mayor erosión del molde en contacto con el metal líquido lo que redunda en un peor acabado superficial y la necesidad de unas mayores tolerancias. En el caso de piezas pequeñas es aconsejable el estufado de los moldes de arena en verde a temperaturas entre 150 y 300ºC, con ello se obtiene una mayor resistencia mecánica y a la abrasión y, como consecuencia, un mejor acabado de la pieza. Como ventaja añadida del estufado de los moldes se encuentra el que éstos no requieren ser colados en el momento de su fabricación, pudiendo ser almacenados varios días antes de su llenado.


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2.4.3. Procesos de aglomeración química en caja fría La aglomeración química de la arena, independientemente de la naturaleza de ésta, desplaza al moldeo en verde allí donde son más altas las solicitaciones mecánicas, térmicas y abrasivas: altas presiones metalostáticas, elevadas temperaturas de colada y ataque directo del caldo sobre zonas concretas del molde. Se comprende que cuando concurren una o varias de dichas circunstancias (aleaciones de alto punto de fusión, piezas de paredes estrechas y con gran número de machos, etc.) se impongan, a pesar de su mayor costo, los moldeos químicos. Cuando no se requiere calentar la arena para aglomerarla químicamente se habla de procesos de caja fría y de caja caliente en el caso contrario. En terminología americana el término caja fría sólo se utiliza cuando el catalizador del proceso es un gas, reservándose el de aglomeración con resinas para resinas y catalizadores sólidos o líquidos. En Europa, sin embargo, no ha prosperado la distinción americana y “caja fría” hace referencia a cualquier proceso que no requiere calentamiento de la arena, independientemente del estado de agregación de resina y catalizador. El mayor desarrollo de los procesos de caja fría con respecto a los de caja caliente está relacionado no sólo con el sobrecoste que implica el calentamiento de la arena, sino con la imprescindible captación y depuración de los vapores que se producen en los de caja caliente. Para moldes grandes la arena química se utiliza como arena de contacto siendo la arena en verde la de relleno del resto de la caja, lo que disminuye apreciablemente el precio del proceso. Por el contrario los machos, sometidos a mayores solicitaciones térmicas, mecánicas y abrasivas, son casi siempre

fabricados con arena

aglomerada químicamente. En el proceso ácido fosfórico/alúmina el óxido en estado de polvo, se mezcla con la arena a la que se añade, posteriormente, un 2-3% en peso de ácido líquido. En función de los porcentajes de alúmina y ácido empleados pueden obtenerse tiempos de endurecimiento entre 25 y 60 minutos, variables también con la temperatura de la arena. Al ser inorgánicos los aditivos las reacciones transcurren sin producción de vapores u olores indeseables. La resistencia mecánica de la arena es función, para cantidades fijas de ambos componentes, del tamaño del polvo de la alúmina, lo que a su vez es también una variable de control del tiempo de curado o endurecimiento del molde. Otras veces se utilizan componentes gaseosos como en el proceso silicato/CO 2, uno de los más extendidos para la obtención de machos, en el que la arena previamente mezclada con un 3-6% en peso de silicato sódico líquido se endurece por el paso durante 5-10 segundos de CO2, alcanzándose resistencias entre 250-300 kPa de forma casi instantánea. Tras 24 horas el avance de la gelificación del silicato puede aumentar dicha resistencia hasta los 700-1400 kPa. Conformado por fundición

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siderurgia.etsii.upm.es Este proceso por la sencillez de las instalaciones requeridas, ausencia de vapores, facilidad de regulación, respuesta instantánea de curado y asequible precio de los componentes es uno de los más apreciados y extendidos, tanto en la fabricación de machos como en la de moldes para piezas de pequeño tamaño en grandes series. Mientras que en los dos procesos anteriormente descritos todos los componentes eran inorgánicos muchos otros utilizan uno o varios compuestos orgánicos: poliol/isocianato, fenoluretano/amina, fenol-uretano/SO 2, silicato/éster, furano/ácido, fenol/ácido, fenol/éster, etc. Los procesos que utilizan como catalizador un gas, suelen ser preferidos para la fabricación de machos, dada la mayor dificultad para hacer pasar gas de forma uniforme a través de cajas grandes de moldeo. En el caso de los procesos que utilizan SO 2 o amina como catalizador gaseoso se requieren instalaciones especiales para captar los gases aunque el coste de la depuración, sin embargo, no logra desplazarlos por las ventajas innegables que poseen (alta resistencia mecánica, fluidez y termoplasticidad de la arena, bajo tiempo de curado, etc).

2.4.4. Procesos de aglomeración química en caja caliente El tiempo de curado o endurecimiento de la arena aglomerada químicamente disminuye sustancialmente con la temperatura de aquélla, de ahí que se hayan desarrollado una variedad de procesos en los que el tiempo de curado es del orden de segundos, lo que permite aumentar fuertemente la productividad. Los principales procesos de caja caliente son los siguientes: proceso Shell o Croning, procesos con resinas furánicas,

fenólicas y de

aglomeración con aceites. El proceso Shell se desarrolló en Alemania en el año 1948. Utiliza arena prerrevestida llamada así porque los granos de sílice van recubiertos con una resina fenólica y hexametilentetramina. El curado de la arena es debido a la transición de un sólido termoplástico a otro termoestable. La arena prerrevestida cae por gravedad o neumáticamente sobre el modelo metálico, calentado a temperaturas entre los 150 y 280ºC, y endurece entre 10 y 30 s, dando lugar a una cáscara o concha de pequeño espesor que da nombre al proceso. El proceso Shell es hoy uno de los más utilizados en la fabricación de series grandes de piezas que requieran excelente acabado y control dimensional, siendo sólo superado en dichos aspectos por la microfusión. Su único inconveniente es el del alto precio de la arena prerrevestida y del modelo metálico, que requiere una serie suficiente para su amortización, así como la necesidad de captar los vapores producidos durante la fabricación y colada de los moldes. Una de las principales ventajas del proceso es el almacenamiento indefinido que Conformado por fundición

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siderurgia.etsii.upm.es pueden tener los moldes, de gran importancia para el fundidor pues le permite romper el yugo moldeo-colada. En los procesos con resinas furánicas y fenólicas tanto las resinas como el catalizador ácido empleado son líquidos más o menos viscosos. A diferencia de los procesos de caja fría el curado de la arena a los 10-30 s es suficientemente intenso como para poder desmoldear. Las temperaturas del proceso varían entre 230 y 290ºC y los sobrecostes energéticos se compensan con el aumento de la producción. Tanto las resinas furánicas como las fenólicas contienen urea y formaldehído por lo que la presencia de nitrógeno puede dar lugar a sopladuras superficiales en piezas de acero, por lo que no se utilizan las resinas fenólicas, muy ricas en urea, y se limita el contenido de nitrógeno en las furánicas. Otro inconveniente de ambos procesos, que da lugar al mayor número de rechazos en fabricación, es sobrepasar la temperatura correcta de curado de la arena lo que se traduce en defectos superficiales en las piezas. El proceso de caja caliente con resinas furánicas es probablemente el más usado en la industria de la automoción para la producción de machos de formas complicadas. También ha aparecido recientemente un proceso con resinas furánicas de muy bajo contenido en nitrógeno que, por utilizar temperaturas de curado más bajas (150-230ºC) que el de caja caliente clásica, ha dado en llamarse “caja templada”, y que al utilizar una menor cantidad de resina y catalizador disminuye aún más el precio del proceso con respecto al de caja caliente. Por último, dentro de los procesos de caja caliente no puede olvidarse por su importancia histórica, e incluso su utilización actual, el proceso de aglomeración con aceite. Sigue siendo el procedimiento más económico de fabricación de machos, de ahí que sea muy frecuente encontrarlo asociado con el moldeo en verde. En esencia la aglomeración se realiza por adición de agua, cereal y aceite (habitualmente de linaza) a la arena. Las cantidades de cereal y aceite son del orden del 1% en peso, aunque el 1% de cereal puede sustituirse por bentonita que, aunque de mayor precio, proporciona mayor resistencia mecánica y menor evolución de gases durante la colada. Los machos se curan en estufas con circulación de aire a temperaturas de 200ºC. Deben preverse sistemas de extracción de gases en las estufas cuando se utilizan ciertos aceites que desprenden olores fétidos.

2.4.5. PROCESOS ESPECIALES: Moldeo al vacío o proceso V Se desarrolló en Japón en 1973 y actualmente tiene implantación industrial para piezas de acero de peso inferior a 7000 kg. En este proceso el semimodelo se coloca sobre una caja hueca, conectada a una bomba de vacío, cuya placa superior dispone de taladros pasantes de Conformado por fundición

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siderurgia.etsii.upm.es 0.8 mm de diámetro. Sobre el semimodelo se coloca una delgada lámina de polietileno que se calienta, para aumentar su plasticidad, por medio de una campana con resistencias, ajustándose perfectamente al contorno del modelo al conectar el vacío. Posteriormente se coloca una semicaja de moldeo, que tiene doble pared y orificios en la parte interior, sobre el semimodelo; se llena la caja de arena, sin aglomerante alguno, vibrándose para compactarla ligeramente y se cubre nuevamente con otra lámina plástica, aplicándose depresión a la caja. Al suprimir el vacío se extrae fácilmente el semimodelo. La unión de dos semicajas forma el molde completo, que se cuela manteniendo el vacío hasta la completa solidificación de la pieza. Al desconectar el vacío se desprende fácilmente la pieza al fluir libremente la arena.

2.4.6. Procesos de molde y modelo perdidos

2.4.6.1. Moldeo con modelo de poliestireno Este proceso utiliza modelos de poliestireno expandido u otro tipo de polímeros con menos átomos de carbono en el monómero que el poliestireno, lo que reduce los problemas que en la fusión del acero puede originar el carbono producido en la combustión del polímero. Los monómeros actuales incorporan oxígeno en la cadena por lo que se minimiza el residuo de carbono. Sin embargo, en la fusión de aleaciones de menor temperatura de colada no se produce la descomposición del polímero en carbono e hidrógeno, de ahí su utilización mayor en la fundición de aluminio. Los modelos de polímero se suelen recubrir con una pintura refractaria para mejorar la superficie de las piezas. La aglomeración de la arena suele hacerse por vibración. Este proceso no presenta limitación en el tamaño de pieza y pueden realizarse modelos de gran tamaño y formas complicadas por soldadura de trozos de polímero.

2.4.6.2. Moldeo magnético Este proceso no ha tenido gran desarrollo industrial pero levantó, sin embargo, grandes expectativas por la sencillez de su fundamento. Sólo es aplicable a aleaciones de punto de fusión inferior a la del hierro y está basado en la utilización de polvo o granalla de hierro como sustituto de la arena. Utilizando un modelo de poliestireno se compacta el polvo por vibración y luego por la aplicación de un campo magnético que una vez colada y enfriada la pieza deja de Conformado por fundición

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siderurgia.etsii.upm.es actuar permitiendo un fácil desmoldeo. Para aleaciones férreas se está empezando a emplear polvos cerámicos magnéticos.

2.4.6.3. Proceso con modelo de mercurio Al igual que en el caso del moldeo magnético despertó inicialmente unas expectativas que no se han confirmado posteriormente. En esencia consiste en un moldeo convencional en caja fría utilizando un modelo de mercurio sólido obtenido en coquilla mantenida a temperatura de – 40ºC. Una vez aglomerada la arena se calienta la caja hasta temperatura ambiente con objeto de recuperar el mercurio líquido. La utilización industrial más habitual ha sido para piezas pequeñas moldeadas por el proceso silicato-CO 2.

2.4.6.4. Microfusión o fundición de precisión Es el nombre industrial del proceso a la cera perdida, primer procedimiento de fundición de la humanidad, que se empleaba para aplicaciones artísticas: escultura, orfebrería, joyería, etc. El proceso implica las siguientes etapas: -

Obtención de los modelos en cera o poliestireno expandido.

-

Formación con varios modelos de “racimos”: conjunto de piezas iguales con una alimentación común para la colada.

-

Recubrimiento cerámico de los racimos para obtener una “cáscara” de gran resistencia térmica y mecánica.

-

Calentamiento de los racimos para recuperar la cera o quemar el poliestireno.

-

Calentamiento a alta temperatura (1000ºC) de los racimos para eliminar trazas del material de los modelos, elevar la resistencia mecánica de la cerámica y permitir un mejor llenado del metal fundido.

-

Colada en el molde caliente, desmoldeado y rotura de los racimos para obtener las piezas individuales.

La cáscara cerámica se obtiene por sucesivos ciclos de inmersión de los racimos en una papilla cerámica y posterior secado en un agregado refractario de polvo de óxido de silicio y/o circonio. Basado en este procedimiento se han desarrollado los procesos Shaw, Unicast, Conformado por fundición

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siderurgia.etsii.upm.es Osborn-Shaw y Ceramicast, todos ellos muy similares entre sí. En estos procesos a una mezcla adecuada de polvos refractarios se añade silicato de etilo y una pequeña cantidad de un agente gelificante con objeto de obtener una papilla de viscosidad adecuada. La papilla se echa sobre la caja que contiene el modelo gelificándose en 2-3 minutos. Se retira el modelo y se calienta el molde a alta temperatura para obtener la máxima resistencia mecánica, colándose posteriormente. Las ventajas de estos procesos de fundición son innegables: excelente superficie de las piezas, tolerancias muy estrechas que pueden permitir muchas veces eliminar mecanizados y una alta productividad, pero también es innegable el alto coste del proceso y la limitación de tamaño de las piezas.

2.4.7. Procesos de molde permanente

2.4.7.1. Moldeo en coquilla En este tipo de procesos el molde no se destruye en la colada y puede ser utilizado muchas más veces. El molde, llamado coquilla, refrigerada o no, está construida con aceros de herramientas para trabajo en caliente acabados por electroerosión y la colada puede ser realizada por gravedad o a presión. El coste de la coquilla sólo se justifica en series grandes de piezas en las que el factor tamaño es una limitación del proceso. Aunque el moldeo en coquilla refrigerada puede ser utilizada para la fundición de pequeñas piezas de acero o fundición, lo más habitual es la colada de aleaciones de menor punto de fusión como aluminio, cobre, cinc, etc. Se han desarrollado moldes permanentes de molibdeno para fabricación de piezas de acero hasta 4 kg de peso y secciones de 25mm. La colada se realiza con el molde debidamente precalentado y a presiones de 150MPa. Aunque las piezas obtenidas tienen excelente acabado y precisión dimensional, el coste y mantenimiento de la coquilla de molibdeno hace difícilmente justificable este proceso excepto en casos muy especiales. Cara a reducir el coste de la coquilla de molibdeno para la colada de acero se utilizan moldes semipermanentes de grafito que requieren reconstituciones periódicas de la superficie. Es muy utilizado el molde de grafito en la fabricación de ruedas de vagón de ferrocarril y, generalmente, la colada se hace bajo presión. Para piezas pequeñas y de geometría adecuada es posible mantener durante la solidificación en la coquilla una cierta presión, del orden de 60 MPa, lo que permite eliminar en Conformado por fundición

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siderurgia.etsii.upm.es gran parte la microporosidad. Este tipo de moldeo en coquilla con solidificación bajo presión compite con la forja en caliente para la fabricación de pequeñas piezas de acero, dando lugar a piezas de superiores propiedades mecánicas que las obtenidas por colada convencional.

2.4.7.2. Moldeo por centrifugación Existen fundamentalmente dos tipos de máquinas de moldeo por centrifugación: las de eje horizontal y las de eje vertical, aunque en casos especiales pueden encontrarse pequeñas máquinas de eje de rotación inclinado. Las máquinas pueden ser unitarias o múltiples, empleándose las últimas para las mayores producciones. Las de eje horizontal son las que presentan mayor interés industrial y permiten obtener tubos de hasta 12 m de longitud. Los moldes pueden ser tubos de acero, fundición gris o grafito que se recubren con arena y/o una pintura refractaria antes del precalentamiento previo a la colada. El efecto de la fuerza centrífuga es doble, por una parte obliga al metal a adoptar la forma cilíndrica y, por otra, al persistir durante la solidificación reduce la microporosidad, lo que se traduce en un aumento de propiedades mecánicas. Una de las principales ventajas de este proceso es la posibilidad de fabricación de tubos bimetálicos en los que el recubrimiento, bien interior o exterior, puede mejorar el comportamiento mecánico, anticorrosivo o antidesgaste reduciendo altamente el coste del material.

2.5. Máquinas y líneas de moldeo Los procesos clásicos de moldeo con arena, ya sean de aglomeración natural o química, pueden realizarse de manera manual o mecánica. En el moldeo a mano, típico de la fabricación no seriada, el moldeador es un operario especializado que realiza el molde usando atacadores manuales, neumáticos o eléctricos para disponer la arena, de forma que ésta cubra adecuadamente el modelo y obtenga la compacidad y resistencia precisas. Las modernas “máquinas proyectoras”, así llamadas por proyectar a una velocidad determinada la arena suelta sobre el modelo hasta completar el molde, están eliminando progresivamente el moldeo manual. Estas proyectoras consisten en esencia en un cabezal Conformado por fundición

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siderurgia.etsii.upm.es móvil, que se desplaza en la nave de moldeo, y al que llega la arena debidamente preparada por transporte mecánico o neumático. En el moldeo mecánico tanto el atacado de la arena como la extracción del modelo se realizan de forma automática, consiguiéndose altas cadencias de fabricación y un mínimo de rechazos. Las máquinas más extendidas para el moldeo mecánico emplean las sacudidas, vibración y presión de forma combinada. La arena cae sobre el modelo dispuesto sobre la placa-modelo que constituye el fondo de la caja de moldeo. El atacado de la arena se logra haciendo subir y bajar a gran velocidad el bastidor de la máquina sobre el que se encuentra la placa-modelo, al tiempo que un vibrador facilita el contacto arena-modelo. Tras un número prefijado de sacudidas, variable con la complejidad del modelo, se aplica finalmente presión mediante una placa que actúa sobre la arena más alejada del modelo. Por último, unas levas accionan sobre la caja de moldeo con objeto de lograr la separación del modelo de la arena, operación llamada desmodelado. En la figura 43 se observan las diferentes fases de la operación de una de estas máquinas.

l

c a

c

o

a

d n

o d n r

r

Máquina de moldear por sacudidas y compresión. a, placa modelo; c , caja; o, mesa; d , espigas para el desmodelado;

La misma máquina de la figura anterior. El

n, pistón de sacudidas; r , pistón de

plato está en el centro de la máquina y fijado

compresión. El plato está desviado

por el montante de la derecha. La máquina

lateralmente, y la máquina en la fase de

está en la fase de compresión.

sacudimiento.


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c

a d o n r

La misma máquina de la figura precedente. El plato está desviado lateralmente y la máquina en la fase de desmodelar .

Fig. 43.- Fases de la operación de una máquina de moldear por sacudidas y compresión.

Las fundiciones mecanizadas especializadas en la fabricación de grandes series disponen de líneas de moldeo mecánico que, generalmente, constan de una o varias máquinas de diferentes dimensiones de bastidor con objeto de cubrir diferentes tamaños de pieza. Dos máquinas iguales dispuestas enfrentadas realizan simultáneamente dos semicajas que convergen en una máquina volteadora encargada de cerrar la caja de moldeo. Si hay machos en la pieza éstos se disponen previamente de forma también automática. Todos los movimientos de las semicajas y cajas se realizan mediante caminos de rodillos, e incluso la colada y las operaciones posteriores (desmoldeo, corte de bebederos y mazarotas, granallado, etc.) son efectuadas mecánicamente. Estas fundiciones mecanizadas y de alto grado de automatización suelen emplear arena aglomerada con bentonita y la importancia de la planta de recuperación de arenas es fundamental en la calidad y coste de la producción, sin embargo, estas fundiciones se prestan mal por su falta de versatilidad a las series pequeñas o a piezas de grandes dimensiones.


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2.6. Alimentación de los moldes Además de los elementos del molde estudiados previamente hay que disponer de una alimentación adecuada. Esta alimentación consta de los llamados “bebederos”, que consisten en canales dispuestos en el molde cuya misión es conducir el metal fundido desde la superficie exterior del molde al interior. Un bebedero típico se representa en la figura 47. a

c

b

d HI

e

Fig. 44.- Bebedero simple: a, cubeta; b, pozuelo; c , altar; d , cuello; e, colector; H es la presión del líquido o carga metalostática.

Las “mazarotas” tienen como misión alimentar de metal líquido a la pieza durante la solidificación con objeto de contrarrestar la contracción. Estas mazarotas son un elemento fundamental en el molde y su número, disposición y volumen son calculados cuidadosamente. En la figura 45 se representa una pieza convenientemente mazarotada con objeto de evitar “rechupes” en su interior. Otros elementos de importancia en los moldes son los llamados “respiraderos” cuya misión es conducir los gases producidos durante la colada al exterior, así como los “enfriadores” consistentes en piezas metálicas situadas junto a las zonas más masivas de las piezas con objeto de acelerar su solidificación facilitando un enfriamiento isotérmico de la pieza.


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Fig. 45.- Ejemplo de pieza con mazarotas

2.7. Fusión y colada Para la fusión del metal pueden emplearse hornos de muy diferente naturaleza dependiendo de la aleación a fundir, peso, cadencia de colada, etc. : hornos de cubilote, hornos de arco, hornos de inducción, hornos de gas, gasoil, etc. Si embargo, las fundiciones automatizadas están adoptando como instalación de fusión los llamados hornos de inducción de crisol, tanto en su variedad de frecuencia de red (50 Hz) como los de media o alta frecuencia, debido a su buen rendimiento y versatilidad. Los hornos de inducción de crisol se basan en la ley física según la cual los cuerpos metálicos sometidos a la acción de un campo magnético de corriente alterna se calientan tanto más cuanto más intenso es el campo magnético y cuanto más elevada es la frecuencia. Están constituidos por una espiral cilíndrica fabricada en tubo de cobre (enfriado por circulación interior de agua) rodeando al crisol que contiene el metal que se ha de fundir (Fig. 46).


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a

d c e

b

Fig. 46.- Horno de inducción de alta frecuencia. El crisol a, de refractario apisonado, está rodeado de la espiral b, de cobre, de sección cuadrada hueca, que puede ser enfriada con agua procedente de la cañería c . La espiral con los conductores e está conectada a la red. Para efectuar la co lada se hace girar el horno (por ejemplo, hidráulicamente) sobre el perno d .

Por efecto del campo magnético generado por la bobina se induce una corriente en la masa metálica y la energía eléctrica absorbida se transforma en calor. El crisol refractario no impide la acción del campo magnético. Mientras que en los hornos de baja frecuencia se emplea la corriente industrial de 50 Hz, en los hornos de alta frecuencia puede alcanzarse los millones de herzios. En los hornos de tipo industrial la corriente de alta frecuencia es obtenida con grupos giratorios motor-alternador de alta frecuencia, o bien con grupos estáticos por tiristores. Al ser muy bajo el factor de potencia hace falta disponer en serie o en paralelo una batería de condensadores de capacidad tal que equilibren la corriente desfasada, como puede apreciarse en el esquema de instalación de un horno de alta frecuencia que se representa en la figura 47.


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f

c

d

e

b

a

g

h

Fig. 47.- Esquema de instalación para horno de alta frecuencia. La línea trifásica alimenta el motor c del grupo convertidor que hace funcionar el alternador de alta frecuencia d . El crisol a está rodeado por la espiral b, alimentada por la corriente monofásica del convertidor. En e hay un interruptor para conectar el horno; en f , los instrumentos de medida (voltímetro y amperímetro); en g la batería de los condensadores;

h es la puesta a tierra.

El revestimiento del horno está formado por arena de cuarcita de diversa granulometría debidamente apisonada. Se debe poner un gran cuidado al efectuar el revestimiento y el secado que le sigue, que será muy lento para evitar su agrietamiento. La capacidad de esta clase de hornos puede variar desde unos pocos kilogramos hasta las 20 a 25 toneladas, con potencias que alcanzan los 2.000 KW/Tm para los hornos de menor capacidad. Los hornos de inducción permiten obtener aleaciones de gran regularidad de composición con bajos costos de funcionamiento, sin embargo, los gastos de instalación son muy elevados. Se emplean particularmente en las fundiciones de aceros aleados especiales. La potencia desarrollada en el interior de la carga viene dada por la expresión:

W = N 2 I 2 (2π 2 d / h)

ρ

f

donde:

N = número de espiras de la bobina Conformado por fundición

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I = intensidad de corriente en la bobina h = altura del crisol d = diámetro del crisol f = frecuencia en Hz ρ

= resistencia específica de la carga.

En cuanto a la colada del metal en el molde puede ser manual o automática, siendo ésta última la utilizada en fundiciones con alto grado de automatización. En la colada automática una artesa contiene el metal fundido manteniéndose su nivel constante mediante una alimentación regulada. Los moldes pasan por un camino de rodillos bajo la artesa que con una temporización prefijada abre y cierra un tapón refractario llamado “buza” situado en su fondo.

2.8. Enfriamiento, desmoldeo y acabado Los moldes una vez colados pasan a túneles de enfriamiento en las fundiciones mecanizadas o a una zona especial de la nave de colada para su enfriamiento natural. El tiempo necesario para el enfriamiento de las piezas, sin que éstas sufran roturas o deformaciones, es variable en función de factores como tipo de aleación, tamaño y forma de la pieza, tipo de moldeo, etc. Las fundiciones más automatizadas efectúan el enfriamiento, debidamente estudiado, en túneles que disponen de rociadores, chorro de aire, etc., con objeto de aumentar el ritmo de fabricación. Los moldes pasan por caminos de rodillos a los túneles de enfriamiento donde se enfrían en pocos minutos en caso de piezas pequeñas, aunque puede aumentar considerablemente este tiempo para piezas mayores, no siendo infrecuente que piezas grandes requieran tiempos de enfriamiento superiores a las 15-20 horas. Una vez enfriada la pieza el molde pasa al desmoldeo, bien manual o automático. El desmoldeo automático en túneles cerrados que disponen de captación de polvo y parrillas de vibración para desmoronar la arena, es el empleado en las fundiciones con moldeo en mota, simplificándose extraordinariamente al no existir cajas de moldeo. La existencia de cajas requiere instalaciones más complejas y costosas para lograr previamente la apertura automática de aquéllas. Tras el desmoldeo se procede al corte de bebederos y mazarotas. Cuando las series justifican la inversión el corte y el rebarbado puede hacerse en prensas automáticas, siendo manual en caso contrario.


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Practica 1 Conformado Por Fundicion

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