Horno casero para fundir metales
Contenido del artículo Primero la seguridad Cuestiones generales
Para los que sentimos la necesidad de Crisol moldear y fundir nuestras propias piezas metálicas metálicas en casa, ya ya sea por Urna interés artístico o práctico, la mayor Calentador limitante es un horno apropiado que Haciendo el horno alcance las elevadas temperaturas Herramientas necesarias requeridas para fundir una buena parte de los metales metales y sus aleaciones. aleaciones. Construcción del quemador En este artículo describimos la forma Construcción del soplador de lograrlo en casa para la l a fundición Construcción del cuerpo del horno a pequeña escala de la mayor parte Notas adicionales de los metales comunes y sus Otros factores importantes aleaciones. El "hornito" presentado puede ser utilizado utilizado para trabajar a temperaturas de hasta 1500°C, ya que a los 1600°C comienzan a reblandecerse los materiales refractarios utilizados. Esta temperatura de trabajo nos permite moldear piezas de plata, oro, cobre, y sus aleaciones tales como el bronce y el latón. Evidentemente también sirve para metales de bajo punto de fusión como el estaño, el plomo y el zinc zinc pero pero estos últimos se pueden fundir de forma simple directamente en la llama de la estufa de gas de la casa.
Primero la seguridad Antes de iniciar el trabajo con metales fundidos hay que estar consciente de que esa es una operación peligrosa que entraña ciertos riesgos, principalmente por la posibilidad de una explosión cuando se usan combustibles gaseosos (como en el proyecto que presentaremos), presentaremos ), y segundo porque porque la alta temperatura temperatura del metal fundido, fundido, del interior del horno y de los recipientes de manipulación del material líquido pueden producir graves quemaduras en la piel o en los ojos si no se toman las medidas de seguridad adecuadas. Las principales cuestiones que se deben tener en cuenta, aparte de las que dicte el sentido común, son:
Relacionados con gas combustible 1. Los escapes de combustible gaseoso, aunque sean pequeños, pueden generar el peligro de una explosión al mezclarse mezclarse con el aire aire ambiental, por lo que que las llaves de los conductos y los balones deben permanecer cerradas cuando no estén en uso.
2. Se debe chequear con agua de jabón todas las uniones de los conductos a fin de detectar salideros de gas antes de empezar a operar con el combustible. 3. Siempre que se intente encender un quemador de gas, hay que colocar con antelación una llama delante de la salida del quemador antes de abrir el gas. Si se hace al contrario puede haberse acumulado suficiente gas en los alrededores del quemador como para producir una llama muy mu y extendida que puede producir quemaduras. 4. Si falla un intento de encender el gas por cualquier razón, cerrar la llave de gas y reiniciar el intento después de transcurrido cierto tiempo. 5. Nunca alimentar alimentar el quemador directamente directamente del balón de gas, debe mediar entre ellos un regulador de presión. 6. Durante la quema del combustible se producen gases tóxicos o no respirables, nunca trabaje en un local cerrado. 7. La botella o balón con el gas debe estar lejos de fuentes de calor, de estar cerca, la presión interior puede subir en exceso y explotar. 8. Cuando se produce una llama no deseada, por ejemplo, en un salidero o en un conducto averiado o desconectado desconectado lo primero que hay que hacer siempre es cerrar la llave del balón.
Relacionado con el metal fundido 1. Los recipientes que contienen metal fundido deben manipularse con aditamentos de mangos largos y estos aditamentos deben sostener el recipiente con gran seguridad . 2. Cuando se manipule un recipiente con metal caliente los movimientos deben hacerse lo más cerca del suelo posible, de esta forma, si por alguna razón se cae el recipiente del aditamento de transporte, las salpicaduras de metal incandescente serán mucho menores. 3. Nunca se puede verter metal fundido fundido en un recipiente recipiente mojado, la violenta violenta ebullición del agua presente, produce salpicaduras peligrosas. Por el mismo motivo si se va a hacer una colada en un molde, este debe estar perfectamente seco antes de hacerlo. 4. Siempre vista camisas de mangas largas y pantalones largos con botas de cuero o similares. Nunca trabaje metales fundidos sin espejuelos de seguridad y sin guantes apropiados. apropiados. Evite el pelo largo suelto. 5. Nunca deje deje el horno de fundición desatendido y funcionando, se pueden producir averías inesperadas y peligrosas.
Cuestiones generales
En general para fundir metales de alto punto de fusión se necesitan tres cosas básicas (vea la figura 1 a la derecha): derecha): 1. Un recipiente adecuado para fundir y manipular el metal y que se le llama crisol . 2. Un cámara refractaria semi cerrada donde se coloca el crisol para calentarlo y que llamaremos urna. 3. Un aparato calentador de la urna y el crisol hasta la temperatura necesaria.
Figura 1. Esquema del horno de fundición
Crisol La naturaleza del crisol dependerá del metal o aleación a fundir, de la temperatura que se desea alcanzar y del presupuesto disponible, y su volumen volumen debe estar en correspondencia con la cantidad de metal fundido que necesitamos para formar la pieza deseada en una sola colada. Cuando se trata de temperaturas relativamente bajas como las necesarias para el aluminio (algo mas de 700 °C) o del latón (algo mas de Figura 2. Una pinza de fácil construcción 900°C) se puede utilizar un crisol barato manipulando un crisol de cerámica. cerá mica. de acero o hierro fundido que son materiales que se funden a más de 1600°C. La durabilidad de tales crisoles no es mucha debido a la l a elevada corrosión a alta temperatura t emperatura y se arruinan después de algunas pocas fundiciones, sin embargo, se pueden fabricar fácilmente partiendo de aparatos que nos rodean tales como los extintores de fuego portátiles, siempre que tengan las paredes del grueso suficiente. Otra ventaja es que se les pueden soldar agarraderas que facilitan la manipulación del pesado y caliente crisol lleno de metal fundido. Para temperaturas elevadas como las necesarias para el cobre, la plata y el oro que están por encima de los 1100°C resultará resultará imprescindible utilizar un un crisol refractario. Estos crisoles de alta temperatura están hechos de cerámicas especiales o de grafito, son mas caros, frágiles y difíciles de manipular, pero tienen una larga vida útil si se utilizan util izan adecuadamente. adecuada mente. Adicionalmente, no contaminan el material fundido con metales "extraños" como puede suceder con el crisol de acero. Para manipular los crisoles refractarios, dada su temperatura t emperatura y relativa fragilidad, lo mejor es utilizar unas pinzas apropiadas como las que se muestran en la figura 2.
Urna
La urna de calentamiento es una oquedad, generalmente cilíndrica, elaborada dentro de un cuerpo de material refractario, si observa la figura 1, verá que en el fondo de la l a urna se coloca el crisol y que está cerrada por una tapa superior provista de un agujero que sirve como chimenea para la salida de los gases quemados cuando el aparato calentador es un quemador. En el esquema mostrado, la llama procedente del quemador rodea y calienta el crisol, y los gases calientes producto de la combustión abandonan el horno por la chimenea calentando toda la urna. El cuerpo cuerpo del horno, que define la urna en su interior, se construye de algún material refractario ligero y poroso, de esta forma se convierte en un aislante térmico que reduce r educe las pérdidas de calor por las paredes del horno haciendo a este más eficiente.
Calentador El aparato calentador más frecuenteme f recuentemente nte utilizado para los hornos de fundición a pequeña escala es un quemador de combustible gaseoso o líquido (figura 4). Para que la llama tenga Figura 4. Esquema del quemador la potencia y la temperatura requeridas usualmente el quemador se alimenta con una corriente de aire forzada por un soplador eléctrico, de esta forma se puede utilizar un mayor mayor flujo de combustible, combustible, y con ello ello aumentar notablemente notablemente la fuerza de la llama. Aunque se puede utilizar un combustible líquido (por ejemplo, un derivado poco volátil del petróleo) lo más práctico para el horno casero es usar gas del tipo LPG (el que se utiliza en las estufas domésticas), debido a que no requiere precalentamiento (gasificación) y se mezcla perfectamente con el aire, dado su estado físico gaseoso. Es muy importante que el aire y el combustible se mezclen íntimamente antes de la ignición de la mezcla, de esta forma la combustión es más eficiente y el calor generado es superior. Note que en el esquema del quemador mostrado en la figura fi gura 4 se provee una zona relativamente grande para que tanto el combustible como el aire se puedan mezclar profusamente antes antes de salir por la boca boca del quemador quemador y producir producir la llama. Otro factor muy importante es tener la posibilidad de regular los flujos tanto de aire como de gas. Esta necesidad se debe a que la proporción de gas/aire debe ser un valor definido para obtener la máxima temperatura de la llama. Si hay aire en exceso se pierde calor de la llama calentando el aire sobrante, si lo que existe es muy poco aire la combustión será entonces incompleta y la temperatura de la llama cae drásticamente (la llama se torna de color amarillo). La regulación de la cantidad de gas es muy fácil con solo utilizar una llave de paso en el conducto que transporta el gas al quemador, con ella, ell a, más abierta o más cerrada, se suministra un flujo variable a voluntad para alimentar el quemador. Un poco más complejo es regular la entrada de aire y se puede hacer por tres vías: 1. Cambiando el área a través de la cual se alimenta el soplador desde la atmósfera, dándole mas o menos abertura al conducto o ventana de alimentación. Este
método se puede utilizar cuando el soplador tiene un motor eléctrico de velocidad fija. 2. Modificando la posibilidad de entada de aire al quemador desde el soplador, ya sea separando la boca de salida del soplador de la boca de entrada al quemador dejando una zona intermedia entre ambos por donde se pierde parte de la corriente de aire a la atmósfera, o bien interponiendo una compuerta en el paso p aso del aire para reducir o ampliar el flujo según sea su posición más cerrada o más abierta. 3. Modificando la velocidad de giro del motor eléctrico del soplador con el uso de un atenuador de la corriente eléctrica de alimentación. Conocidos los elementos básicos que son importantes para tener éxito en el proyecto vamos ahora con una propuesta concreta que usted podrá fabricar en casa
Haciendo el horno. El proyecto de horno que presentaremos a continuación está armado en el interior de un balón vacío de gas LPG de los pequeños de de 15 libras, pero evidentemente usted puede utilizar cualquier otro recipiente cilíndrico metálico siempre que tenga las mismas dimensiones o muy cercanas, y adaptar las instrucciones que se brindan al nuevo recipiente. El aspecto general del horno terminado se muestra en la figura 5 a la derecha.
Herramientas necesarias Como en cualquier proyecto, tener las Figura 5. El horno terminado herramientas adecuadas adecuadas facilita mucho el trabajo y evita con frecuencia f recuencia los fracasos en la fabricación de las piezas requeridas. El proyecto lo llevaremos a cabo sin la utilización de herramientas caras o especializadas y se usarán preferentemente aquellas aquellas de tipo manual manual al alcance de todos. Necesitamos: 1. Una sierra manual del tipo "pasaportodo" que se utilizan para cortar perfiles curvos. Una caladora eléctrica o una sierra sin fin se pueden utilizar si se dispone de alguna de ellas. 2. Una esmeriladora angular con angular con disco de cortar metal. 3. Una taladradora eléctrica y un juego de brocas para metal. 4. Algunas herramientas manuales "clásicas" como martillo, destornilladores, alicates, llaves para tuercas etc. 5. Espejuelos de seguridad para evitar la entrada de materiales extraños a los ojos durante el trabajo.
6. Si dispone de una máquina de soldar por arco, esto facilitará bastante el trabajo, tr abajo, pero no es imprescindible. Materiales necesarios: 1. Un balón de gas LPG vacío de los de 15 libras. 2. 10 ladrillos refractarios ligeros y porosos. Las dimensiones del ladrillo son largo 9" (230 mm); ancho 4½" (115 mm); altura 2½" (64 mm). 3. 45 cm de tubo de acero de 1" (25 mm) de paredes finas, o bien negro o bien galvanizado. 4. Un niple de tubo metálico de 1/8", roscado en ambos extremos, y con 3" (75 mm) de longitud. O bien su equivalente en medida métrica, puede ser de acero o de latón. 5. Un tapón roscado para el tubo de 1/8. 6. Una llave de paso de 1/8 para acoplar al tubo, preferentemente de aguja. 7. Resina epoxi del tipo utilizada para "soldar" metales. 8. Medio kilogramo de cemento refractario (lo mejor) pero puede utilizar cemento Portland estándar. 9. Un trozo de tubo de acero de paredes finas de los que se usan en las instalaciones eléctricas de 1/2" (12 mm) para fabricar las agarraderas de la tapa del horno (vea la figura 5). 10. Algunas piezas de ferretería, escuadras, tornillos, tuercas etc. para montar las patas del horno horno y las agarraderas agarraderas de acuerdo a como usted decida decida hacerlas. hacerlas. Si dispone de una máquina de soldar por arco todo el montaje de estas piezas se facilita soldándolas. 11. Un soplador de aire (preferentemente radial) o en su defecto una secadora de pelo. 12. Un atenuador eléctrico para modificar la velocidad de giro del motor del soplador. Se venden comúnmente para cambiar la velocidad de los motores de los ventiladores de techo. Una vez con las partes y las herramientas a disposición comencemos a hacer el horno.
Construcción del quemador. La figura 6 a continuación, la que se explica por sí sola, muestra el plano del quemador.
Figura 6. Plano del quemador
Una vista del quemador terminado aparece a la derecha en la figura 7 a la derecha. Note que: 1. Ambos tubos, el de 1/8" y el de 1", se han fijado juntos usando resina epoxi, pero pudieron haber sido soldados. Es muy importante asegurar ambos tubos de forma que el agujero de 2 mm para la salida del del gas, hecho en el centro del tubo de 1/8", quede "mirando" hacia la parte larga del tubo de 1" (vea el plano de la figura 6). 2. Se ha usado una llave de paso de 1/8" 1/8" del tipo de aguja, lo que permite una regulación más precisa de la entrada de gas. La llave de paso tiene la toma para la entrada de gas lateralmente, ahí se conecta el conducto de alimentación de combustible, lo que debe hacerse preferiblemente usando usando
Figura 7. Quemador terminado
una manguera flexible para facilitar la manipulación del quemador. 3. El lado mas corto del tubo de 1" va a acoplarse al soplador mientras el más largo sirve como cámara de mezcla aire/combustible al mismo tiempo que permite su introducción introducción dentro del cuerpo del horno hasta la urna de calentamiento.
Construcción del soplador Bueno, la elaboración del soplador es muy difícil de establecer como una receta que sirva para todos, en mi caso disponía de un pequeño soplador radial que fue adaptado para acoplar al quemador (vea la figura 8 a la Figura 8. Conjunto ventilador-quemador derecha). La regulación de la cantidad de aire se hizo por medio de un atenuador de los que se usan para regular la velocidad de los ventiladores de techo. La diferencia entre la la mayor potencia del ventilador de techo y la menor del ventilador del que disponíamos hizo que el atenuador no funcionara f uncionara correctamente. El asunto se resolvió colocando en paralelo con el pequeño motor, una resistencia eléctrica de 1 kΩ y 100 100 w. Este aumento
de la carga fue suficiente para que el atenuador funcionara correctamente con el pequeño soplador soplador radial regulando regulando su velocidad velocidad de giro en un rango rango amplio. Note en la figura 8, 8, que se construyó construyó un cono cono de lámina de aluminio aluminio como elemento elemento adaptador de dimensiones entre el ventilador y el quemador, y que el acople final se hizo con trozos de tubo t ubo de goma ajustados con abrazaderas de apriete. Si no dispone de algún soplador adaptable puede utilizar una secadora de pelo usando la opción de aire frío que normalmente tienen, si la secadora que dispone no tiene esta opción en los mandos, debe desconectar la resistencia de calentamiento, o de otro modo la carga eléctrica elevada que produce (más de 1000 w) arruinará rápidamente el atenuador.
Construcción del cuerpo del horno. Para comenzar a construir el cuerpo del horno debemos cortar el balón de gas, y este corte, que se hará con la esmeriladora angular, produce muchas chispas, chispas, de modo que lo
primero que hay que hacer es asegurarse asegurarse de que el balón de gas gas está completamente completamente vacío. Para saber que el balón está vacío no resulta suficiente con abrir a la atmósfera su llave de salida, ya que muchos m uchos de ellos tienen un sistema de cierre automático cuando se les retira el regulador de presión, y aunque abra la válvula de salida no sale gas alguno. Lo mas fácil para vaciar el balón es abrir su válvula de seguridad desenroscando completamente el tornillo de regulación y dejar escapar el gas hasta el final. Otra forma es acoplarle el regulador de presión con la salida de este abierta a la atmósfera el tiempo suficiente para que se vacíe completamente. Una vez con la seguridad de que no hay gas a presión dentro del balón, lo que sigue es retirarle la llave que está montada de forma roscada. Si el balón está realmente vacío no sentirá escape de gas alguno a medida que desenrosca la válvula. Ya sin la válvula, y para mayor seguridad, el balón se llena con agua, de esta forma no quedará nada de gas dentro del recipiente, luego el agua se desecha. El balón se corta exactamente por el hombro superior teniendo cuidado de hacer un buen trazo antes antes de comenzar comenzar el corte, y también también se retira la base circular que trae, así como el cuerpo semi-circular superior de protección para la válvula. Si se fija en la figura 5 arriba, verá que solo se ha utilizado el cuerpo cilíndrico del balón. En la parte inferior, después de cortado por el hombro será donde se confecciona la urna, y en la parte superior donde se construya la tapa.
Haciendo la urna
Figura 9. Construcción de la urna
Para hacer la urna auxíliese de la figura 9. Primero se preparan los ladrillos como se muestra en la figura usando la sierra caladora manual y se recuperan todos las piezas cortadas así como la arenilla que sale de los cortes. Los ladrillos se van colocando dentro del cuerpo del balón en el orden orden en que aparecen en la figura 9. A la capa inferior, que es de ladrillos enteros, hay que redondearles los bordes para Figura 10. Vista superior del horno destapado que se adapten a la forma hemisférica del fondo del balón. Una vez asentados los ladrillos del fondo de la urna se calcula bien el punto donde debe hacerse el agujero al cilindro de metal del balón para la introducción del quemador, el que debe quedar verticalmente en el centro de la segunda fila de ladrillos como se muestra en la figura fi gura 9. Haga el agujero en el balón de suficiente diámetro para que pase el quemador holgadamente. Note que el agujero agujero para el quemador quemador se dirige de forma que el borde del tubo del quemador salga al interior de la urna tangencial a la superficie interna. Al tratar de colocar los ladrillos dentro del balón se dará cuenta que debe recortarse una pequeña parte parte de la esquina exterior (vea la figura 10). 10). Una vez colocados todos los ladrillos necesarios necesarios para hacer la urna (8 de los 10), la superficie superior de la última fila debe sobresalir unos pocos milímetros por encima del cuerpo metálico del balón. A continuación, con todos los ladrillos en su lugar, estos se aseguran en su sitio colocando los trozos resultantes de los cortes entre estos y el cuerpo metálico del balón para luego asegurar los trozos con una mezcla de cemento y la arenilla recuperada anteriormente. Vea como queda la urna terminada t erminada en la figura 10 abajo. De la misma forma se construye la tapa del horno usando los dos ladrillos restantes, pero antes de colocar los ladrillos en la tapa se debe debe realizar el corte de un agujero de unos 120 mm en la parte superior central del metal de la tapa, y un corte semicircular a los ladrillos en su centro para formar un agujero de 100 mm cuando se junten y coloquen dentro de la parte hemisférica de la l a tapa. Verá que ahora también resultará necesario recortar las esquinas esquinas de los ladrillos para que se ajusten ajusten bien en su lugar.
Notas adicionales Además de las cuestiones cuestiones tratadas hasta aquí, aquí, resulta conveniente fabricar fabricar otro par de piezas adicionales adicionales que servirán servirán para tapar los orificios orificios de comunicación comunicación del horno al exterior una vez terminada la colada estas son: 1. Una cubierta para el orificio superior de 100 mm de la tapa del horno, la que se hace uniendo y apretando con una cinta metálica dos de las medialunas que resultaron del corte de los ladrillos que formaron la urna. 2. Un trozo de tubo del mismo tipo con el que se construyó construyó el quemador lleno interiormente con cemento y arena.
Ambas piezas se sitúan en los orificios correspondientes cuando se termina la colada y retirado el quemador, y con el crisol caliente en el interior de la urna, para que el horno en su conjunto se enfríe los más lento posible, de esta forma la vida del horno y del crisol se alarga.
Otros factores importantes Existen otras cuestiones no tratadas aun pero que tienen ti enen importancia relevante para tener éxito en el trabajo de fundición de metales. Algunas de ellas son: 1. Coloque las piezas de materia prima a fundir dentro del crisol ya caliente dentro del horno, de esta forma el tiempo hasta que se fundan es menor y con ello se producen menores menores pérdida por por oxidación. Tenga Tenga presente que la oxidación a elevada temperatura temperatura es muy rápida por lo que si coloca las piezas en el crisol frío y luego lo carga al horno el tiempo t iempo a alta temperatura se extiende considerablemente. 2. Asegúrese de haber cargado al crisol suficiente material para colar la pieza en una sola operación, después que el metal solidifica, si agrega nuevo metal líquido las dos partes quedan separadas. 3. Nunca deje deje material sobrante en en el crisol, recuerde que los metales metales se dilatan más que la cerámica, lo que puede traer la rotura de esta durante el posterior calentamiento para fundir nuevamente nuevamente..
Fabricación de piezas por moldeo. Para fabricar una pieza puede utilizarse el método de verter el material constitutivo de la futura pieza en forma líquida lí quida dentro de un molde hueco, cuya oquedad corresponda corresponda a la forma de la pieza y esperar a que solidifique. Este método se conoce como moldeo. De esta forma el moldeo puede clasificarse en: 1. Moldeo en frío: Corresponde a aquellas en las cuales se vierten en el molde mezclas líquidas o semi-líquidas de sustancias que luego endurecen como un sólido rígido. Ejemplos: Resinas plásticas y Epoxi, Concretos y morteros, Yeso etc. 2. Moldeo en caliente: Corresponde a aquellas en las cuales se vierten en el molde materiales licuados licuados por fundición. Ejemplos: Ejemplos: Metales, Ceras, Ceras, Caramelos etc. En general durante el proceso de fabricación f abricación de la pieza se siguen los pasos siguientes: 1. 2. 3. 4. 5.
Diseño de la pieza. Fabricación del molde con la forma y materiales adecuados. adecuados. Vertido del material líquido y posterior endurecimiento. Extracción de la pieza del molde. Limpieza.
6. Terminación.
Diseño de la pieza. La forma y dimensiones de la pieza a fabricar dependerá, como es evidente, de muchos factores de acuerdo a su futura aplicación lo que no corresponden con el interés i nterés de esta página. Este diseño, diseño, lo mas común común es que salga de un especialista especialista en forma de uno o mas planos de dibujo con suficiente detalle como para poder ser fabricada la oquedad en el molde.
Fabricación del molde. Factores a tener en cuenta Para fabricar el molde es necesario tener en cuenta gran diversidad de factores involucrados algunos de los cuales son: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.
Temperatura del material líquido a la hora del vertido. Índices de contracción o dilatación del material cuando solidifica. Complejidad de la pieza a elaborar. Fluidez del material líquido. Cantidad de piezas a fabricar. Exactitud dimensional y de acabado superficial requerida para pieza fundida. Tipo de tratamiento de terminación posterior a la fundición. Tamaño. Otros.
Veamos algunos detalles sobre los puntos anteriores.
Temperatura del material líquido. Resulta evidente que el molde debe soportar sin deterioro la carga líquida hasta que esta solidifique. Si se trata de fundición en frío o de sustancias de bajo punto de fusión como la parafina, podrán utilizarse materiales materiales comunes comunes para la fabricación del molde, tales como plásticos, yeso yeso etc., pero si el líquido a verter corresponde corresponde a metales fundidos, estos materiales comunes no podrán utilizarse y en su lugar se recurre a moldes metálicos para metales de bajo punto de fusión, fusión, o moldes de arena de sílice compactada para para aquellos de alto punto de fusión.
Índices de contracción o dilatación. Todos los materiales cambian sus dimensiones cuando se enfrían o solidifican, la gran mayoría se contraen como los metales y sus aleaciones aleaciones,, ceras, etc., pero algunos se expanden como el yeso. De este cambio se deduce que las dimensiones de la oquedad del molde debe tener muy en cuenta esta contracción o dilatación para que cuando solidifique, la pieza tenga las dimensiones adecuadas. adecuadas.
Complejidad. Para el moldeo de piezas de forma compleja, en ocasiones será necesario utilizar un molde de múltiples partes acopladas, diversos canales de llenado simultáneo, fabricación de canales de comunicación internos que tendrán que ser cortados y desechados desechados después de desmoldeada la pieza, canales de salida múltiples para el aire del interior del molde y otros. En piezas de forma simple estos elementos pueden no ser necesarios.
Fluidez del material. No todos los materiales materiales utilizados en el el moldeo de piezas piezas fluyen con la misma facilidad, algunos "corren" bien por los canales del molde y lo llenan l lenan completamente, completamente, otros no, así que el molde tendrá que ser fabricado teniendo en cuenta este factor.
Cantidad de piezas. Las características del molde dependen en mucho de la cantidad de piezas a fabricar, de este modo si son muy mu y pocas piezas, el molde podrá ser fabricado manualmente de materiales de poca duración o desechables, mientras que si el lote de piezas a fabricar es grande lo mejor es utilizar moldes de múltiples usos, por ejemplo metálicos (de ser posible).
Exactitud dimensional y de acabado superficial. Cuando se requieren piezas muy exactas en dimensiones y/o de buen acabado superficial, estas características tendrán que tenerse en cuenta al fabricar el molde, en algunos casos será preciso un mecanizado muy exacto de las dimensiones y superficie de la oquedad interna (moldes metálicos o plásticos) o el recubrimiento interior con materiales que "alisan" la superficie (moldes de arena y yeso).
Tipo de tratamiento de terminación t erminación posterior. posterior. Ciertos materiales como el hierro fundido, fundido, se endurecen mucho si se enfrían rápidamente, por lo que la mecanización mecanización posterior será un tanto menos que imposible, en estos casos los moldes deben construirse de manera que sean "un abrigo" al material fundido para que se enfríe lentamente o habrá que recurrir al enfriamiento en horno. En otros casos es todo lo l o contrario, la pieza debe salir s alir del molde sumamente dura, como en las ruedas de triturado de los molinos, en estos casos el molde se fabrica para que se enfríe rápidamente.
Tamaño Para piezas menudas, los moldes pueden ser pequeños y manejables, hasta se puede elaborar un molde de múltiples piezas en un solo cuerpo, pero en el caso de piezas de grandes dimensiones, dimensiones, habrá que recurrir incluso a la fabricación del molde en el terreno como una oquedad subterránea.
Como se logra la oquedad
Para lograr la oquedad interna del molde se pueden utilizar diversos métodos en concordancia concordancia con los factores involucrados mencionados arriba. Estos moldes pueden estar constituidos por una sola pieza o varias acopladas. En todos los casos los moldes deben permitir la extracción de la pieza endurecida sin grandes esfuerzos y sin afectar el molde apreciablemente si se pretende su uso en múltiples ocasiones. Veamos algunos de los métodos utilizados:
Oquedad mecanizada. mecanizada. Cuando se producen moldes para la fabricación de piezas de grandes partidas, se recurre, siempre que las temperaturas de trabajo lo l o permitan, a los moldes metálicos, que pueden ser reutilizables muchas veces. En dependencia de la complejidad de la pieza pueden pueden ser de dos o mas mas partes acopladas. acopladas. La parte interior del molde que corresponderá a la forma y dimensiones de la pieza a fabricar se hace mediante el uso de métodos de mecanizado, ya sea por arranque de virutas en máquinas herramientas o por conformación. Utilicemos las figuras que siguen para describir de manera elemental como sería un típico proceso de fabricación del molde por maquinado. Observe la figura 1, en ella se representan dos bloques metálicos, metálicos, por ejemplo de acero acero.. Estos bloques serán serán utilizados para construir construir nuestro molde. Las superficies enfrentadas de los bloques han sido cuidadosamente rectificadas y maquinadas hasta un buen acabado superficial. En la figura 2, ambos bloques se han juntado para formar uno solo, como las superficies son planas y de buen acabado, el conjunto se constituye como Figura 1 un solo cuerpo divisible por el centro. En la unión de los dos bloques comenzaremos a construir la oquedad de tamaño y forma adecuados que servirá para llenar con el material líquido que formará la futura pieza. Esta división del molde en dos partes separables resulta necesaria para poder extraer la pieza endurecida del interior. Ahora enfoquemos en las figuras 3 y 4, note que se taladran unos agujeros cerca de los bordes de los bloques y por fuera de la futura oquedad a construir, estos agujeros servirán para introducir unas espigas de guía que garantizan la exacta Figura 2 coincidencia de ambas partes, sin movimiento relativo, de forma que cada vez que el molde se arme, siempre coincidan de manera precisa ambas partes. Las espigas se montan de forma que estén firmemente apretadas en uno de los bloques pero se deslicen fácilmente y sin holgura en el otro para facilitar la apertura del molde.
Una vez armado el conjunto sin movimiento lateral relativo, ambos bloque se aprietan firmemente con algún método mecánico (no representado), por ejemplo unas mordazas y se comienza el maquinado, en este caso representado por la broca superior superior de la figura 5. 5. Si la pieza a construir es del tipo de cuerpo de revolución, esto es, cilíndrica, cónica o la combinación de ambos, el maquinado puede hacerse con facilidad con el conjunto armado utilizando un torno o taladradora taladradora.. El agujero inicial hecho con broca podrá servir en el futuro como bebedero de llenado. Si la forma del molde interior es de otro tipo, será necesario maquinar cada parte del molde por separado tallando la mitad de la pieza en cada lado y garantizando la perfecta geometría y coincidencia de cada una, para cuando se cierre el molde de nuevo antes del vertido del material líquido. En este caso se ha supuesto un cuerpo simple de revolución con dos cilindros de diferente sección, uno de los cuales es a su vez el bebedero, como se aprecia en la figura 6. En esta figura solo se ha representado la mitad de la oquedad en un solo bloque, pero salta salta a la vista que esta debe existir existir por igual en los dos. Finalmente de ser necesario, se procede a dar un buen acabado acabado a ambas superficies interiores del del molde con este abierto. Hay que aclarar aquí que si el molde se utilizará para fundir materiales materiales de bajo punto de fusión (velas), o para la fundición en frío de resinas, el material de los bloques puede ser plástico, pl ástico, lo que por supuesto facilita facilita el maquinado.
Figura 3
Figura 4
Figura 5
Figura 7
Figura 6
La figura 7 muestra un molde metálico real para la fabricación de suelas de zapatos.
Oquedad creada con plantilla. En una buena parte de los casos la oquedad interior del molde se produce como consecuencia consecuencia de la extracción de su interior de una plantilla. Esta plantilla es un modelo de la pieza que quiere fundirse y que ha sido elaborada especialmente especialmente para ese propósito. El proceso para la fabricación del molde por este método, de forma esquemática, simplificada y para piezas no huecas es como sigue: Para la confección del molde es común que se parta de dos cajas sin fondo ni tapa como las que se muestran en la figura 8. Varias espigas empotradas fijas en una de las cajas, y deslizantes en los agujeros respectivos en la otra (no ( no representadas), representadas), garantizan el montaje seguro y preciso de ambas. Las cajas pueden ser plásticas, de madera o de metal ya que solo servirían para conformar el molde y no tendrán contacto con el material líquido. Figura 8 Para fabricar el molde se siguen los pasos siguientes: 1. Primer paso: Se muestra en la figura 9, lo que se hace es colocar una de las cajas sobre el piso y llenarla completamente con el material con que se confeccionará confeccionará el cuerpo del molde aplanando la superficie con una regla recta. Este material puede ser arena de sílice especial humedecida y compactada mientras se vierte, bien sola o bien mezclada con algún aglutinante, cuando se trata de moldes para la fundición de metales de alto punto de fusión, o mezcla de yeso y agua para la fundición de materiales de bajo punto de fusión o la fundición en frío. 2. Segundo paso: Se coloca la plantilla con la forma de la pieza objetivo del del molde (figura 10) parcialmente parcialmente enterrada; generalmente hasta la mitad, en la arena de la caja de abajo y se rectifica con cuidado la superficie para eliminar el abultamiento abultamiento generado generado por la plantilla al desplazar el material, sin retirarla. De esta forma cuando se termine el moldeado, la mitad de la oquedad para formar la pieza corresponderá a la caja inferior. La plantilla debe cumplir cumplir ciertos requisitos que que podrá conocer mas adelante. 3. Tercer paso: Se recubre la superficie del material de la caja inferior con una sustancia que evite la l a adherencia con el material de la caja superior (figura 11), este
Figura 9
Figura 10
material generalmente en polvo, puede ser óxido de cinc,, talco, etc. cinc 4. Cuarto paso: Se coloca la caja superior sobre la inferior conteniendo la plantilla (figura 12), y se rellena con el material de formación del molde tal y como se hizo anteriormente con la parte de abajo. Al mismo tiempo se coloca en esta caja, en un lugar adecuado para que tenga tenga contacto con la plantilla una pieza pieza tubular terminada en forma de embudo (no representado) que servirá como bebedero del molde. En ocasiones el bebedero está incorporado como parte de la propia plantilla. 5. Quinto paso: Por último se separan las cajas y se retiran la plantilla y el bebedero (figura 13), de esta forma cuando se vuelvan a unir las l as cajas, queda dentro del molde el espacio adecuado para fundir la pieza así como el conducto para el ll llenado. enado.
Figura 11
Figura 12
Para el caso de las piezas huecas se hace necesario el uso de los llamados "machos", algunos detalles sobre este tipo de moldeo se darán mas adelante. Vea el punto Moldeo de piezas huecas.. huecas
Figura 13
La plantilla Hay dos tipos básicos de plantillas: 1. Plantillas extraíbles: Son aquellas que al extraerla del molde mantiene su integridad por lo que pueden ser reutilizables. r eutilizables. El caso mostrado en el ejemplo simplificado de elaboración del molde de arriba usa una de estas plantillas. desechables. Estas plantillas, confeccionadas 2. Plantillas desechables. confeccionadas de un material de bajo punto de fusión como la parafina, se extraen del del molde por calentamiento, calentamiento, es decir, el molde se calienta y la parafina se funde y sale al exterior con lo que queda el espacio correspondiente a su forma formando la oquedad. Evidentemente la plantilla plantilla solo puede utilizarse una vez. vez. Cuando de usa una una plantilla desechable, desechable, el molde puede puede ser de una una sola caja y el bebedero está está elaborado en la propia plantilla y sale al exterior a través de un orificio en el cuerpo de la caja. Este orificio sirve a su vez para la salida del material fundido de la plantilla
Materiales de las plantillas. En principio, la plantilla puede construirse de cualquier material que tenga suficiente resistencia para soportar la manipulación a la hora de formar el molde, de tal suerte que
se utilizan plantillas metálicas, de madera, plásticas y hasta de d e parafina para las plantillas desechables. desechables. La resistencia mecánica de la plantilla dependerá de la vida útil esperada para ella de acuerdo a la frecuencia de uso, así, si esta se utilizará util izará muy frecuentemente y por largo tiempo, lo mejor (de ser posible), es usar una plantilla metálica pero en caso contrario puede usarse, usarse, por ejemplo, una una de yeso. Es muy común que se usen para la fabricación de las plantillas, las maderas mas estables en el tiempo en cuanto a forma y dimensiones y que al mismo tiempo sean fáciles de trabajar, adquieran buen pulimento, y sean moderadamente duras. Estas maderas deben estar desprovistas de nudos, ser del corazón del árbol y no tener las fibras entrecruzadas. entrecruzadas.
Características Características de la plantilla. La confección de una plantilla no es cosa de improvisadores, en ello hay que tener en cuenta diversos factores que hacen la diferencia entre una plantilla de mala calidad y una buena. Veamos: Lo primero que debe tenerse en cuenta es que la plantilla debe poder extraerse del molde si romperlo, por ello: 1. Todas las superficies deben tener buen acabado para evitar que se arrastre el material del molde, por ejemplo la arena, al sacarlo. 2. La forma de la plantilla debe ser tal que la l a parte mas ancha de su sección corresponda a la zona de división de las cajas de moldeo, de esta forma puede ser extraída sin mucha dificultad. Si este precepto no se cumple, y la dimensión mayor está soterrada en la arena, necesariamente se romperá el molde al extraer la plantilla. Cuando las piezas son muy mu y complejas hay que acudir a plantillas de múltiples piezas, algunas de las cuales (llamadas corazones), solo sirven como cuñas de separación entre las partes y deben ser sacadas primero para que la plantilla disminuya sus dimensiones dimensiones y pueda ser ser extraída. 3. Las plantillas deben estar cortadas simétricamente para que cada una de las l as mitades se quede en el material de la respectiva caja cuando estas se separen para extraer la plantilla. plantilla. Tenga en cuenta cuenta que ambas ambas cajas están aseguradas aseguradas con espigas guía, de manera que el movimiento relativo entre ellas es solo de separación y debido a la adherencia natural de la plantilla con el material del molde es mejor que la plantilla se separe en dos antes de que arrastre material afectando el molde. 4. Si la pieza a fabricar es una pieza hueca y por ello se colocarán machos en el molde, la plantilla debe propiciar las l as zonas donde se hará la posterior colocación de los soportes del macho. Otro grupo de factores que deben tenerse en cuenta están relacionados con las dimensiones y tolerancias de las plantillas: 1. Tolerancia para la contracción. Se debe tener en consideración consideración que las sustancias al enfriarse o fraguar cambian sus dimensiones, así que dependiendo del tipo de material que se esté utilizando, las medidas de las plantillas deberán ser consecuentemente consecuentemente mas grandes o pequeñas que las medidas finales que se esperan obtener en la pieza terminada.
2. Tolerancia para la extracción. Cuando se tiene una plantilla que se va a extraer es necesario moverla ligeramente para "despegarla" del material del molde, al fabricarla se debe considerar considerar en sus dimensiones la holgura holgura por extracción. 3. Tolerancia por acabado. Cuando una pieza es fabricada en ocasiones resulta necesario realizar algún trabajo de acabado o terminado de las superficies generadas, generadas, esto se logra lo gra puliendo o quitando algún material de las piezas producidas por por lo que se debe debe considerar en la plantilla esta rebaja rebaja de material. 4. Tolerancia de distorsión. Cuando una pieza es de espesor irregular, su enfriamiento también es irregular, y con ello su contracción. Esta contracción irregular genera la distorsión de la l a pieza, estos efectos deberán ser tomados en consideración en el diseño de las plantillas. En la figura 14 puede verse una plantilla de madera en plena construcción, para la fundición de una bomba e agua.
Moldeo de piezas huecas. Hasta ahora hemos descrito de forma elemental como se construyen los moldes para piezas rellenas; rellenas; cuando se quieren fabricar piezas huecas se recurre al empleo de los llamados machos. Los machos son partes con la forma de la oquedad de la pieza a construir, que se colocan convenientemente convenientemente dentro del molde pata evitar que el material líquido vertido ocupe ese espacio, de esta forma, cuando se desmoldee la pieza y se extraiga el macho, habremos logrado el espacio vacío necesario dentro de ella. Hay que tener en cuenta a la hora de fabricar los machos lo siguiente: 1. Debe tener la forma de la oquedad deseada en la pieza a fundir fundir con sus debidas tolerancias. 2. Debe poder extraerse de la pieza fundida sin grandes dificultades. 3. Debe tener incorporado los salientes apropiados
Figura 14
para poderse colocar y fijar en el molde y así ocupe la posición adecuada. 4. Debe soportar sin rotura o deformación, el empuje del material líquido cuando corre por el interior del molde. 5. No puede adherirse adherirse al material vertido. 6. No puede fundirse fundirse o quemarse en contacto con los líquidos calientes a moldear. Los machos pueden fabricarse de diferentes materiales, pero como estarán en el interior de la pieza, la posible contracción de esta al enfriarse, tiende a apretar muy fuertemente el macho en su interior. De lo anterior se desprende, que si el macho se construye de un material sólido, por ejemplo de acero, necesariamente tendrá que ser de mas de una pieza. En estos casos los machos se construyen divididos al centro y con un corazón central en forma de cuña para facilitar su extracción. A la hora de retirar el macho, primero se saca el corazón, esto libera el resto de las piezas, las que podrán juntarse y extraerse extraerse con facilidad. Es muy usual que los machos se construyan de arena de fundición compactada y mezclada con algún aglutinante ligero para darle mas resistencia, y también que con el mismo fin, se coloque en su interior de manera centrada algún alma metálica como varillas o alambres. En muchos casos los machos de arena ya conformados se
hornean para que seque y el aglutinante adquiera mas consistencia. Como aglutinante se usan muchas sustancias, pero esta puede ser tan simple como disoluciones de melaza de caña de azúcar. Los machos de materiales sólidos se construyen también por maquinado, por lo que valen los mismos argumentos explicados para la fabricación de las plantillas.
Elaboración de machos de arena. Los machos de arena se fabrican en moldes divididos por el centro a los que se les ha tallado en cada lado la mitad de la forma del macho con sus correspondiente salientes de fijación, estos moldes se conocen como cajas para machos . El procedimiento para la construcción de las cajas para machos es muy similar al explicado en la fabricación de moldes con la oquedad mecanizada. mecanizada . Es muy común que las cajas para machos se construyan de madera por la facilidad de mecanizado. Los pasos para la terminación del macho pueden ser: 1. Se hace la mezcla humedecida de la arena de fundición y se le agrega el aglutinante. 2. Se espolvorea la superficie interior de la caja para el macho con algún componente que impida la adherencia de la arena con la l a caja. 3. Se va rellenado y compactando la arena en ambos lados de la caja abierta hasta que estén completamente llenas. 4. Se coloca, de ser preciso, el alma metálica en una de las cajas en el centro del semi-macho. 5. Se humedece la superficie de del, o los semi-machos para facilitar la unión de la arena de ambas, y se coloca una sobre la otra de forma que las superficies de arena de los semi-machos se aprieten y adhieran. 6. Se coloca en el horno o se deja secar para que los semi-machos se unan y adquiera consistencia la unión. 7. Una vez seco se abre la caja y se retira el macho para ser utilizado. En la figuras 15 a la 17 se muestran esquemas esquemas que sirven para comprender como se hacen las plantillas y machos para fundir una pieza hueca. Observe la figura 15, ahí se representa la plantilla, esta pieza al ser moldeada en cajas tal y como se describió arriba, dejaría una oquedad en forma de cruz dentro de la caja que podría ser ocupado por el material líquido vertido. Fíjese que en cada extremo tiene tallado un cilindro de menor diámetro, este
Figura 15
espacio también quedará vacío en el molde pero en este caso, servirá para colocar y asegurar mas tarde el macho de la figura 16 dentro del mismo molde. Note que la parte mas gruesa del macho es de menor diámetro que la misma parte de la plantilla. En la figura 17, se observa como quedaría el espacio dentro de la caja con el macho apoyado en los canales dejados por la plantilla. Solo una zona zona estrecha quedará vacía vacía y será luego ocupada por el líquido vertido, resultando en una pieza en cruz de forma tubular. Como el macho es de arena, podrá sacarse fácilmente del interior rompiéndolo con algún objeto punzante.
Figura 16
Vertido del material líquido Las cuestiones a tener en cuenta a la hora del llenado del molde dependerá de la naturaleza y la temperatura t emperatura del líquido vertido, para la mejor comprensión comprensión dividiremos estos estos materiales en en dos grupos: 1. Vertido de materiales fríos que solidifican por polimerización, fraguado fraguado o secado. secado. 2. Vertido de materiales fundidos y calientes.
Materiales fríos. Para estos materiales no hay muchos requerimientos a la hora de llenar el molde, pero p ero se pueden enumerar los siguientes: 1. El material a verter y el del molde no deben ser adherentes, pues la extracción posterior sería algo menos que imposible. Esta posibilidad existe con frecuencia cuando se funden piezas de resinas de poliéster, epoxi u otras. Se puede puede resolver cubriendo cubriendo el molde con un material apropiado como grasas, láminas plásticas etc. 2. El tiempo de endurecimiento del material vertido debe ser lo suficientemente largo como para que el líquido pueda llenar llenar por completo el molde antes de solidificar. solidificar. 3. La fluidez del líquido vertido debe ser suficiente como para que pueda pueda moverse en en los conductos conductos internos del molde y llegar a todas t odas sus partes, especialmente en piezas complejas complejas o de secciones secciones muy estrechas. estrechas. Puede ser necesario en ciertos casos, la utilización utili zación de disolventes en las resinas plásticas, y la adición de agua o el vibrado del molde para los yesos y morteros.
Materiales calientes.
Figura 17
Además de los requerimientos listados para los materiales fríos, f ríos, en el caso del vertido de líquidos calientes y en especial en los metales fundidos se pueden citar los siguientes: 1. El molde debe estar suficientemente seco, la presencia de agua en el interior o en la arena, y su posterior ebullición al contacto con el metal fundido generará burbujas de vapor vapor que pueden pueden ser retenidas retenidas en el material o la superficie superficie de la pieza empeorando empeorando su calidad. calidad. En casos extremos extremos puede crearse crearse elevadas elevadas presiones dentro dentro del molde que pueden abrirlo y expulsar expulsar gotas del del material caliente a alta velocidad en todas direcciones, con el consecuente consecuente peligro de quemaduras para el personal. 2. La temperatura y conducción de calor del material del molde deben evitar la rápida pérdida de temperatura del líquido caliente vertido, o de lo contrario este podrá solidificar en los pasadizos estrechos impidiendo impidiendo el paso de mas material líquido, con lo que el molde se llenaría de forma incompleta. 3. La temperatura del líquido vertido debe ser lo suficientemente alta como para que fluya y llene el molde antes de comenzar a solidificar. 4. Durante el enfriamiento y solidificación del vertido verti do se puede producir una considerable contracción en volumen del material, esta contracción, puede incluso dejar zonas vacías en la pieza terminada. Para solventar este problema la posición y volumen volumen del bebedero bebedero juegan un un papel muy importante. importante. Debe ubicarse el bebedero en la zona mas alta del molde y con un volumen de material fundido considerable, de esta forma se convierte en la l a última parte del material que solidifica y por gravedad va compensando la contracción del material interno que formará parte de la pieza terminada.
Extracción y limpieza de la pieza fundida. Si el molde y el proceso de vertido se han hecho de manera correcta, el desmoldeo no presentará dificultades, dificultades, en la práctica práctica lo único que hay hay que tener en en cuenta es que que debe darse suficiente tiempo al material vertido dentro del molde como para que se haya producido la completa completa solidificación y/o y/o enfriamiento antes de de desmoldear. Ciertos materiales son frágiles si aun están calientes, por eso la mejor práctica es dejarlos enfriar completamente dentro del molde. Cuando se extrae la pieza del molde, trae consigo el, o los bebederos, por lo que resulta necesario su eliminación por corte. También puede estar contaminada exteriormente con los aditivos anti-adherencia usados en el molde o la arena, así que debe ser sometida a un proceso de limpieza.
Tratamientos térmicos del acero.
Para cambiar las propiedades del acero se usan diferentes tipos tratamientos térmicos, que cambian su micro estructura. En general hay cuatro tipos básicos de tratamiento tr atamiento térmico:
1. 2. 3. 4.
Temple. Revenido. Recocido. Normalización.
Todos los tratamientos térmicos tiene una ruta obligatoria:
Calentamiento del acero hasta una temperatura determinada. Permanencia Permanenc ia a esa temperatura cierto tiempo. Enfriamiento mas o menos rápido.
El hierro tiene una temperatura de fusión de 1539 oC, y en estado sólido presenta el fenómeno de la alotropía o polimorfismo.. polimorfismo En la mayoría de los casos, el calentamiento del acero para el temple, normalización y recocido se hace unos 30-50 oC Figura 1 por encima de la temperatura de cambio alotrópico. Las temperaturas mayores, si no son necesarias para un uso especial, no son deseables para evitar un crecimiento excesivo del grano grano.. En la figura 1 se muestra un gráfico esquemático de como se desarrolla el proceso para cada tipo de tratamiento térmico. El carácter de la transformación del acero depende de la velocidad de enfriamiento. Durante un enfriamiento lento en el horno se verifica el recocido; si el enfriamiento se realiza al aire libre, tal recocido se denomina normalización. El temple se hace utilizando un enfriamiento rápido en agua o en aceite aceite.. Después del temple, obligatoriamente, se ejecuta el revenido, cuyo objetivo es disminuir en algo la uniformidad de la estructura y, de tal modo, quitar las tensiones internas de la pieza. El revenido siempre se realiza a una temperatura menor a la de la transformación del material.
El acero y su temperatura. Para comprender mejor la influencia del tratamiento térmico en el acero, primero hay que conocer los cambios estructurales de este a diferentes dif erentes temperatura. Estos cambios tienen bastante complejidad y dependen de la cantidad de carbono presente y otros factores, que en la metalurgia se establecen con precisión en el llamado diagrama de equilibrio hierro-car hierro-carbono bono . En este artículo vamos a describir de manera muy simplificada, las estructuras del acero a diferentes temperaturas. A temperaturas menores de 910 oC y por encima de 1400 oC el hierro tiene una red espacial cubica centrada. En el primer caso se le llama hierro alfa y en el segundo hierro gamma, entre las temperaturas de 910-1400 oC el hierro tiene la red cúbica cúbica centrada en las caras y se le llama hierro delta.
Solubilidad del carbono en hierro. Los hierros alfa y gamma disuelven muy poco carbono (entre 0,025 y 0.1%), y a esas soluciones se les denomina ferrita. La ferrita es muy blanda y plástica según el tamaño de sus granos; por debajo de 768 oC tiene propiedades ferromagnéticas muy acentuadas. La solubilidad del carbono en el hierro delta es mucho mayor, y puede alcanzar el 2% en peso a 1130 oC. Esta solución se llama austenita y existe comúnmente por encima de 723 oC (por métodos especiales puede obtenerse austenita a temperaturas menores). La austenita es blanda y plástica, no es magnética y peor conductor del calor que la ferrita.
Compuestos del hierro y el carbono. El hierro forma con el carbono el carburo de hierro, Fe 3C, que se denomina cementita y contiene 6.67 % de carbono en peso. La cementita es frágil y muy dura; a temperaturas superiores a 210 oC no tiene propiedades magnéticas. La cementita pura no es estable, especialmente a altas temperaturas, y se desintegra en grafito y solución sólida: ferrita o austenita, según la temperatura. Sin embargo, en las aleaciones de bajo contenido de carbono la cementita existente es estable hasta altas temperaturas y por eso se le puede considerar como un componente autónomo dentro de la masa del acero. La cementita en el acero puede tener tres orígenes y se llaman: 1. Primaria: Segregada a partir de la reacción del hierro y el carbono en la solución líquida. 2. Secundaria: La que se precipita de la austenita al enfriarse. 3. Terciaria: La que se desprende de la ferrita al enfriarse por debajo de 910 oC. La cementita puede mezclarse mecánicamente mecánicamente con la austenita desde la solución líquida, la mezcla eutéctica de cementita y austenita se denomina ledeburita. De la misma forma la cementita puede mezclarse desde la solución sólida con la ferrita procedente de la desintegración de la austenita a menos de 723 oC y concentración de carbono de 0.8 %. La mezcla eutectoide* de ferrita y cementita se llama perlita. Con estos elementos examinemos ahora el carácter de las formaciones estructurales de los aceros en el proceso de enfriamiento, desde el estado líquido hasta las temperaturas
normales. Este proceso es reversible por lo que los procesos son válidos también durante el calentamiento. * Se le denomina eutectoide porque se produce en la solución sólida y no en la líquida como en el caso de una mezcla eutéctica.
El enfriamiento o calentamien calentamiento to del acero. En la figura 2 se muestra el sector izquierdo del diagrama Fe-C (hierro carbono). En él, se han marcado las líneas correspondientes correspondientes a las soluciones de 0.6, 0.8, y 1.2 % de carbono. La linea G-H corresponde a los 723 oC temperatura límite de existencia de la austenita. Observemos que para los tres casos, casos, de la solución líquida al enfriarse comienzan a formarse cristales de austenita, los que conviven en equilibrio con la solución líquida entre las líneas A-B y C-D. Al bajar de la temperatura de solidificación (linea C-D), toda la solución se convierte en austenita. Con el ulterior enfriamiento y en dependencia del contenido de carbono se van formando estructuras
Figura 2
diferentes, a saber: 1.- Para el acero de 0.6 % de carbono o menos, al alcanzar la linea F-E comienza a desprenderse ferrita y hay una zona (entre F-E y G-H) donde conviven ambas formas estructurales. La formación de la ferrita con muy poco carbono carbono disuelto hace que el resto de la austenita pase a ser mas mas rica en carbono, con lo que se alcanza el 0.8 % necesario para la formación de la cementita, con ello se puede producir la mezcla mezcla mecánica de ferrita y cementita que ya hemos visto se denomina perlita. El resultado final de esta aleación cuando llega a la temperatura normal es una mezcla de ferrita y perlita. 2.- Para el acero de 0.8 % de carbono, como tiene la composición adecuada para la reacción de formación de cementita (0.8 % de carbono) el final del proceso de enfriamiento conduce a perlita en casi toda la masa sólida. 3.- Para el acero de
1.2 % de carbono o mas, una vez que se alcanza la linea ED comienza a segregarse la cementita secundaria por la sobresaturación de la austenita con carbono, con el enfriamiento posterior y al sobrepasar la linea G-H se produce cierta cantidad de ferrita que junto a la cementita forma la perlita. Finalmente queda una mezcla de perlita y cementita cementita secundaria.
Temple y revenido. El temple y el revenido se utilizan ampliamente para mejorar las propiedades de resistencia de los aceros de construcción e importarles dureza y altas propiedades cortantes a los aceros de herramientas.. herramientas Por temple se comprende la fijación de las estructuras, a temperatura normal, que son propias de temperaturas altas. Por eso las estructuras
templadas son inestables o, como dicen los físicos metaestables. Si el acero se enfría rápidamente desde la zona de austenita (figura 2) el carbono no puede desprenderse, desprenderse, y como es imposible detener la transformación de hierro gamma a hierro alfa con capacidades de disolución de carbono muy diferentes, se produce una solución sólida sobresaturada de carbono en hierro alfa que se conoce como martensita. La estructura de la martensita es inestable, con una gran dureza y fragilidad considerable. La dureza de la martensita es tanto mayor, cuanto mas cantidad de carbono esté disuelto en esta, y se explica por el fenómeno de que su red cristalina está muy deformada por los átomos de carbono. Esto hace que el cristal elemental de la red cristalina de la martensita nos sea cúbico sino tetragonal. Lo que a su vez dificulta su deformación
plástica. El acero tiene la capacidad de ser templado si contiene mas del 0.3% de carbono. El enfriamiento para el proceso proceso de templado puede efectuarse a diferentes velocidades de acuerdo a los fines perseguidos y del tipo de acero (cantidad de carbono y otros elementos aleantes) los mas usados son:
Agua. Aceite. Sales fundidas. Soluciones salinas. Y hasta el aire para ciertos aceros aleados.
Si tomamos la capacida capacidadd refrigerante del agua a temperatura de 20 oC como la unidad, entonces, la capacidad refrigerante relativa de la solución acuosa de cloruro de sodio al 10% será de 1.23; del aceite mineral 0.20 y del aire ambiente 0,03. Después del temple se efectúa el revenido, cuyo fin es el aumento de la plasticidad (disminución de la fragilidad) del acero con una disminución mínima de la l a resistencia o la dureza adquiridas durante el temple. La temperatura del revenido se escoge de acuerdo a la posterior utilización de la pieza, pero nunca llegará a la temperatura temperatura de transformación (linea (linea G-H de la figura 2). Se distinguen tres tipos de revenido: 1. Revenido de bajas temperaturas (entre 180 y 220 oC); Con él se reducen las tensiones internas pero se conserva la estructura martesítica. Se usa en el revenido de herramientas de corte, en las que debe mantenerse la dureza y resistencia al desgaste. 2. Revenido a medias temperaturas (entre 300-400 oC); A estas temperaturas la martensita se modifica y se transforma t ransforma en lo que se conoce como troostita y se aplica en los muelles o matrices. 3. Revenido de altas temperaturas (500-550 oC); A estas temperaturas la troostita se convierte en otra forma llamada sorbita, se aplica fundamentalmente para el acero de construcción. La troostita y la sorbita obtenidas durante el revenido de la martensita, sobrepasan por su tenacidad, las estructuras análogas que se obtienen durante el enfriamiento directamente a partir de la l a austenita.
Recocido. El recocido tiene diferentes objetivos en el tratamiento térmico del acero y generalmente suele ser de dos clases: 1. Recocido de primera clase o subcrítico: Se aplica para eliminar tensiones residuales, acritud, y cambiar forma de la cementita a cementita esferoidal en los aceros de alto carbono para poder trabajarlos mejor. Por lo común mientras mas alta es la temperatura, tanto mas corto puede ser el tiempo de permanencia, pero, de todos todos modos, para la esferoidización se requiere un permanencia permanencia larga. El recocido para eliminar la acritud se efectúa después después de la deformación plástica en frío; con con ello no solo se reducen las tensiones, sino también también la recristalización de la estructura, por eso se le denomina recocido de recristalización. 2. Recocido de segunda clase o supercrítico: Tiene como objeto diferentes finalidades, y exactamente:
Disminución del grano: El recocido de los aceros de bajo y medio carbono se efectúa por calentamiento s unos 20-50 oC por encima de la temperatura de transformación, es decir por encima de la línea F-E (figura 2). Bajo estas temperaturas se verifica la transformación del hierro alfa a hierro gamma y la formación de una gran cantidad de granos pequeños de austenita, independientemente independiente mente del tamaño original de los l os granos de ferrita o perlita. El enfriamiento ulterior de piezas con grano pequeño de austenita conduce a la formación de granos pequeños de ferrita y perlita. Un calentamiento considerable por encima de la línea F-E, produce no disminución, sino aumento del tamaño del grano. Obtención de una estructura equilibrada y mas blanda. Modificación de la estructura en piezas fundidas: Las estructuras fundidas, muy a menudo suelen ser de grano grueso y la fase sobrante, por ejemplo, la ferrita en el acero de bajo carbono y la cementita secundaria en los de alto carbono, se distribuyen en granos, formando la armazón alrededor de la cual se solidifica la masa restante. Tal estructura se denomina de Widmastatten y tiene una tenacidad menor en comparación con la estructura normal. Durante el recocido no solo se efectúa la disminución del grano, sino también la liquidación de la estructura de Widmastatten. Eliminación de las segregaciones dendríticas: El recocido para eliminar la segregación dendrítica que surge durante la solidificación de los lingotes, se denomina recocido de homogenización . Generalmente este recocido se logra durante el calentamiento de los lingotes para su tratamiento por presión en la fabricación de piezas en caliente. La homogenización exige una temperatura muy alta (unos 1000-1100 oC) y una permanencia larga (15 o mas horas). Durante este recocido es inevitable el crecimiento del grano, la disminución de este se realiza después por medio de un recocido de recristalización.
Normalización. La estructura que surge después del calentamiento hasta las temperaturas que corresponden a la zona de austenita y enfriamiento en el aire, se considera como normal
en el acero. Por eso la normalización corresponde a un recocido supercrítico con enfriamiento al aire. La cantidad de ferrita o cementita sobrante, después del normalizado, es menor que después del recocido y la perlita está mas dispersa. Por eso el acero normalizado tiene resistencia y tenacidad un poco mas altas y una maquinabilidad mas baja que el acero recocido. En la figura 3 se muestra un gráfico en el que se destacan las zonas de temperatura utilizadas mas comúnmente para la realización de los diferentes tratamientos térmicos.
http://www.sabelotodo.org/metalurgia/tratatermacero.html
