Fundicion

Proceso Manufactura: Fundición -ES

Fundición 1. FUNDAMENTOS En la fundición se hace fluir metal fundido dentro de la cavidad de un molde, donde se solidifica y adquiere la forma del molde. La fundición comprende: fundición de lingotes y la fundición de formas. El lingote es de grandes dimensiones y forma simple (barras rectangulares largas), diseñada para volver a formarse en otros procesos subsiguientes como laminado o forjado. La fundición de formas involucra la producción de piezas complejas que se aproximan más a la forma final deseada del producto. Por ser de mayor interes, nos ocuparemos el caso de fundición de formas. Existen diversos métodos para la fundición de formas, lo cual hace de este proceso uno de los más versátiles en manufactura. Sus posibilidades y ventajas son las siguientes:  La fundición se puede usar para crear partes de compleja geometría, incluyendo formas externas e internas.  Algunos procesos de fundición pueden producir partes de forma neta que no requieren operaciones subsecuentes para llenar los requisitos de la geometría y dimensiones de la parte.  Se puede usar la fundición para producir partes de unos cuantos gramos hasta formas que pesan más de 100 toneladas (coronas dentales, joyería, estatuas, bloques y cabezas para motores automotrices, bases para máquinas, ruedas para ferrocarril, tubos, carcasas para bombas, etc.).  El proceso de fundición puede realizarse en cualquier metal que pueda calentarse y pasar al estado líquido. • Algunos métodos de fundición son altamente adaptables a la producción en masa. Desventajas:  Las limitaciones de algunos procesos  Se pueden obtener piezas con propiedades mecánicas no homogéneas  Piezas con porosidad  Baja precisión dimensional  Acabado deficiente de la superficie  Los riesgos que los trabajadores corren durante el procesamiento  Problemas ambientales. Se pueden fundir todas las variedades de metales ferrosos y no ferrosos, polímeros y cerámicos.

2. TECNOLOGÍA DE FUNDICIÓN El proceso se realiza en una fundidora. Una fundidora es una fábrica equipada para hacer moldes, fundir y manejar el metal en estado líquido, desempeñar los procesos de fundición y limpieza de las piezas terminadas. El primer paso que se da en el proceso de fundición es la fabricación del molde.

2.1 El molde:

contiene una cavidad que dará la forma geométrica de la parte a fundir. La cavidad debe diseñarse de forma y tamaño ligeramente sobredimensionados, esto permitirá la contracción del metal durante la solidificación y enfriamiento. Cada metal sufre diferentes porcentajes de contracción, por tanto, la cavidad debe diseñarse para el metal particular que se va a fundir. La cavidad del molde proporciona la superficie externa de la fundición; pero además puede tener superficies internas, que se definen por medio de corazones, los cuales son formas colocadas en el interior de la cavidad del molde para formar la geometría interior de la pieza. Los moldes se hacen de varios materiales que incluyen arena, yeso, cerámica y metal. Los procesos de fundición se clasifican frecuentemente de acuerdo a los diferentes tipos de moldes. En una operación de fundición, se calienta primero el metal a una temperatura lo suficientemente alta para transformarlo completamente en líquido. Después se vierte directamente en la cavidad del molde. En un molde abierto figura 1(a), el metal líquido se vacía simplemente hasta llenar la cavidad abierta. En un molde cerrado

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figura 1(b) y 1(c) una vía de paso llamada sistema de vaciado permite el flujo del metal fundido desde fuera del molde hasta la cavidad. El molde cerrado es la forma más importante de producción en operaciones de fundición. El sistema de vaciado en un molde de fundición es el canal o red de canales por donde fluye el metal fundido hacia la cavidad desde el exterior. El sistema de vaciado, consiste típicamente en un bebedero de colada (también llamado simplemente bebedero) a través del cual entra el metal a un canal de alimentación o corredor que conduce a la cavidad principal. En la parte superior del bebedero existe frecuentemente una copa de vaciado para minimizar las salpicaduras y la turbulencia del metal que fluye en el bebedero. En el diagrama aparece como un simple embudo en forma de cono. Algunas copas de vaciado se diseñan en forma de tazón como en la figura 1(c) con un canal abierto que conduce al bebedero. En cualquier fundición cuya contracción sea significativa se requiere, además del sistema de vaciado, una mazarota conectada a la cavidad principal. La mazarota es una reserva en el molde que sirve como fuente de metal líquido para compensar la contracción de la fundición durante la solidificación. A fin de que la mazarota cumpla adecuadamente con su función, debe diseñarse de tal forma que solidifique después de la fundición principal. Una vez que la fundición se ha enfriado lo suficiente, se remueve del molde. Pueden necesitarse procesamientos posteriores, dependiendo del método de fundición y del metal que se usa. Entre éstos se encuentran el desbaste del metal excedente de la fundición, la limpieza de la superficie, la inspección del producto y el tratamiento térmico para mejorar sus propiedades. Además, puede requerirse maquinado para lograr tolerancias estrechas en ciertas partes de la pieza y para remover la superficie fundida y microestructura metalúrgica asociada.

Figura 1. dos formas de molde : (a) molde abierto, simplemente un recipiente con la forma de la parte de la fundición; (b) molde cerrado, de forma mas compleja que requiere un sistema de vaciado (vía de paso) conectado con la cavidad; y c) Sección transversal de un molde en tres partes.

2.2 Modelos: El modelo es una forma usada para preparar y producir la cavidad en el molde. El diseño debe

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ser lo más simple posible para facilitar el retiro del molde. El modelo tiene en esencia la forma de la pieza a fundir con formas para bebederos, mazarotas, etc. El modelo puede estar en dos piezas una para la semicaja superior y la otra para la semicaja inferior para facilitar la construcción de la cavidad del molde, algunas piezas pueden ser sueltas para que sean removidas por separado y evitar la destrucción del modelo o del molde. La madera es el material que generalmente se usa para fabricar los modelos ya que es sencilla de trabajar y se la encuentra fácilmente, la madera empleada deberá estar casi seca con 5 a 6 % de humedad para evitar que se tuerza o la formación de grietas lo que ocasionaría una distorsión en el molde final. Se usa el modelo en madera cuando se tiene un número discreto de piezas a fabricar, o cuando la pieza es demasiado grande lo cual facilitará el manejo de la misma. Cuando aumenta el número de piezas es común encontrar modelos de metal hechos de aluminio o magnesio que pueden estar sueltos o empotrados en soportes para modelos, también son muy comunes los modelos de yeso ya que son fáciles de elaborar pero muy quebradizos a la hora fabricar la cavidad. El plástico también juega un papel importante en la fabricación de modelos es un intermedio entre la madera y el metal y puede producir cantidades considerables de moldes

2.3 Tolerancias en el Modelo. El modelo con el cual se fabrica la cavidad del molde debe ser un tanto diferente de la pieza a producir tanto en forma como en dimensiones. Estas diferencias intencionales incorporadas al modelo se llaman tolerancias del modelo. La tolerancia por contracción compensa la disminución de tamaño que experimenta la pieza al solidificar y enfriar. La tabla 1 muestra valores para contracción volumétrica para distintos metales. La tolerancia de maquinado es la cantidad que compensa al material que se desperdicia en operaciones de maquinado que darán el acabado final a la pieza .

2.4 CALENTAMIENTO Y VACIADO Para desarrollar la operación de fundición, el metal se calienta hasta una temperatura ligeramente mayor a su punto de fusión y después se vacía en la cavidad del molde para que se solidifique. En esta sección consideramos varios aspectos de estos dos pasos en la fundición.

2.4.1. Calentamiento del metal Se usan varias clases de hornos, para calentar el metal a la temperatura necesaria. La energía calorífica requerida es la suma de 1) calor para elevar la temperatura hasta el punto de fusión, 2) calor de fusión para convertir el metal sólido a líquido y 3) calor para elevar al metal fundido a la temperatura de vaciado. Esto se puede expresar como: C=m(Cs(T1-To) + Cl(T2-T1) + Cf)) Kcal , Donde: T0, temperatura inicial (temperatura ambiente) T1, temperatura de fusión T2, temperatura de recalentamiento, m, cantidad de metal o aleación en Kg, Cs, calor específico del estado sólido en Kcal/Kg °C Cl, calor específico del estado líquido en Kcal/Kg °C Cf, calor de fusion, en Kcal

(1)

Ejemplo 1: Calentamiento del metal para fundición. 3

Un volumen de 0.03 m de una cierta aleación eutéctica se va a calentar en un crisol desde la temperatura ambiente hasta 100 ºC por encima de su punto de fusión. Las propiedades de la aleación son densidad = 4160 3

o

o

kg/m , punto de fusión = 700 ºC, calor específico del metal = 343.32 J/kg C en el estado sólido y 297.26 J/kg C en el estado líquido; y el calor de fusión = 167120.85 J/kg. ¿Cuánta energía calorífica se debe añadir para alcanzar el calentamiento, asumiendo que no hay pérdidas? . Solución: Sea la temperatura ambiente en la fundición = 26 ºC y que las densidades en los estados líquido y sólido del metal son las mismas, al sustituir los valores de las propiedades en la ecuación (1) se tiene:

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C = (4160)(0.03){343.32(700-26) + 167120.85 +297.26(800-700} = 53444917.34 J . La ecuación 1 tiene un valor conceptual y su cálculo es de utilidad limitada, no obstante se usa como ejemplo. El cálculo de la ecuación 1 es complicado por los siguientes factores: 1) el calor específico y otras propiedades térmicas del metal sólido varían con la temperatura, especialmente si el metal sufre un cambio de fase durante el calentamiento; 2) el calor específico de un metal puede ser diferente en el estado sólido y en estado líquido; 3) la mayoría de los metales de fundición son aleaciones que funden en un intervalo de temperaturas entre sólidos y líquidos en lugar de un punto único de fusión, por lo tanto, el calor de fusión no puede aplicarse tan fácilmente como se indica arriba; 4) en la mayoría de los casos no se dispone de los valores requeridos en la ecuación para una aleación particular y 5) durante el calentamiento hay pérdidas de calor significativas.

2.4. 2. Vaciado del metal fundido Después del calentamiento, el material está listo para vaciarse. La introducción del metal fundido en el molde y su flujo dentro del sistema de vaciado y de la cavidad es un paso crítico en el proceso. Para que este paso tenga éxito, el metal debe fluir antes de solidificarse a través de todas las regiones del molde, incluida la región más importante que es la cavidad principal. Los factores que afectan la operación de vaciado son la temperatura de vaciado, la velocidad de vaciado y la turbulencia. a. La temperatura de vaciado es la temperatura del metal fundido al momento de su introducción en el molde. Lo importante aquí es la diferencia entre la temperatura de vaciado y la temperatura a la que empieza la solidificación (el punto de fusión para un metal puro, o la temperatura líquidus para una aleación). A esta diferencia de temperaturas se le llama sobrecalentamiento.

b. La velocidad de vaciado es el caudal con que se vierte el metal fundido dentro del molde. Si la velocidad es muy lenta, el metal puede enfriarse antes de llenar la cavidad. Si la velocidad es excesiva provoca turbulencia y puede convertirse en un problema serio. c. La turbulencia de flujo se caracteriza por variaciones erráticas de la velocidad del fluido; cuando éste se agita, genera corrientes irregulares en lugar de fluir en forma laminar. El flujo turbulento debe evitarse durante el vaciado por varias razones. Tiende a acelerar la formación de óxidos metálicos que pueden quedar atrapados durante la solidificación, degradando así la calidad de la fundición. La turbulencia provoca una erosión excesiva del molde, que es el desgaste gradual de las superficies del molde debido al impacto del flujo de metal fundido. La erosión es especialmente seria cuando ocurre en la cavidad principal porque afecta la forma de la parte fundida. 2.5 Análisis ingenieril del vaciado Varias relaciones gobiernan el flujo del metal líquido a través del sistema de vaciado y dentro del molde. Una relación importante es el teorema de Bernoulli, el cual establece que la suma de las energías (altura, presión dinámica, energía cinética y fricción) en dos puntos cualquiera de un líquido que fluye es igual. Esto se puede escribir en la siguiente forma: (2)

Donde: h = Altura, (m) 2

P = Presión en el líquido, (N/m ) 3

ρ = Densidad, (Kg/m ) v = Velocidad de flujo en (m/seg)

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g = Constante de la aceleración gravitacional, (9.81 m/seg ); F =Pérdidas de carga debidas a la fricción, (metros).Los subíndices 1 y 2 indican los dos puntos cualesquiera en el flujo del líquido. La ecuación de Bernoulli se puede simplificar de varias maneras. Si ignoramos las pérdidas por fricción (de seguro, la fricción afectará el flujo del líquido a través del molde de arena) y asumimos que el sistema permanece a presión atmosférica en toda su extensión, entonces la ecuación puede reducirse a:

(3) La cual puede usarse para determinar la velocidad del metal fundido en la base del bebedero de colada. Definamos un punto (1) en la parte superior del bebedero y un punto (2) en la base. Si el punto (2) se usa como referencia, entonces la altura en ese punto es cero ( h2 =0 )y h1 es la altura (longitud) del bebedero. Cuando se vierte el metal en la copa de vaciado y fluye hacia abajo, su velocidad inicial en la parte superior es cero ( v1 =0 ). Entonces la ecuación 3 se simplifica a

v  2 gh

(4)

Donde: v = Velocidad del metal líquido en la base del bebedero de colada, (m/seg); 2

g = 9.81 m/seg h = Altura del bebedero (m) Otra relación importante durante el vaciado es la ley de continuidad, la cual establece que la velocidad 3

volumétrica del flujo permanece constante a través del líquido. La velocidad del flujo volumétrico m /seg es igual a la velocidad multiplicada por el área de la sección transversal del flujo líquido. La ley de continuidad puede expresarse como: Q = v1 A1 = v2 A2 (5) 3

Donde: Q =Velocidad de flujo volumétrico, (m /seg); v = Velocidad, (m/seg); 2

A = Área de la sección transversal del líquido, (m ) Los subíndices se refieren a cualquiera de los dos puntos en el sistema de flujo. Entonces, un incremento en el área produce un decremento en la velocidad y viceversa. Las ecuaciones 4 y 5 indican que el bebedero debe ser ahusado. El área de la sección transversal del canal debe reducirse conforme el metal se acelera durante su descenso en el bebedero de colada; de otra manera, puede aspirar aire dentro del líquido debido al incremento de la velocidad del metal que fluye hacia la base del bebedero y conducirlo a la cavidad del molde. Para prevenir esta condición, se diseña el bebedero con un ahusamiento de manera que la velocidad volumétrica de flujo vA sea misma en la parte superior y en el fondo del bebedero. Si aceptamos que el canal alimentador de la base del bebedero a la cavidad del molde sea horizontal (y por tanto que la altura sea la misma que la de la base del bebedero), la velocidad volumétrica de flujo a través del sistema de vaciado y dentro de al cavidad del molde permanece igual a vA en la base. Por consiguiente, podemos estimar el tiempo requerido para llenar una cavidad de volumen V como sigue:

tl 

V Q

Donde: tl =Tiempo de llenado del molde, seg. (s);

(6)

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V =Volumen de la cavidad del molde, (m ); 3

Q =Velocidad volumétrica de flujo, (m /seg) El tiempo de llenado del molde calculado por la ecuación (6) debe considerarse como tiempo mínimo, debido a que el análisis ignora las pérdidas por fricción y la posible constricción del flujo en el sistema de vaciado; por tanto, el tiempo de llenado del molde será mayor que el resultante de la ecuación (6). Ejemplo 2: Un molde tiene un bebedero de colada de longitud 0.20 m y sección transversal en la base del 2

bebedero es 0.000258 m . El bebedero alimenta a un canal horizontal que conduce a la cavidad del molde 3

de volumen 0.0016387 m . Determine a) la velocidad del metal fundido en la base del bebedero, b) la velocidad volumétrica de flujo y c) el tiempo de llenado del molde. Solución: a) La velocidad del flujo de metal en la base del bebedero está dada por la ecuación 4

v  2 gh  2 * 9.81 * 0.2  1.98 m / s 2

3

b) La velocidad volumétrica de flujo es Q =(0.000258 m )(1.98 m/seg) = 0.00051107 m /seg 2

c) El tiempo requerido para llenar una cavidad de 0.0016387 m con este flujo es tl =0.0016387/0.0005152 = 3.2 seg.

Fluidez Las características del metal fundido se describen frecuentemente con el término fluidez, una medida de la capacidad del metal par llenar el molde antes de enfriar. Existen métodos normales de ensayo para valorar la fluidez, como el molde espiral de prueba que se muestra en la figura 2, donde la fluidez se mide por la longitud del metal solidificado en el canal espiral. A mayor longitud, mayor fluidez del metal fundido. A esta propiedad de alcanzar los puntos mas alejados se denomina colabilidad, la mayor longitud de espiral alcanzada por el liquido es el indicativo de la colabilidad

Figura 2

3. PROCESOS DE FUNDICIÓN DE METALES Los procesos de fundición del metal se dividen en dos categorías de acuerdo al tipo de moldes 1) moldes desechables y 2) moldes permanentes. En las operaciones de fundición con molde desechable, éste se destruye para remover la parte fundida, como se requiere un nuevo molde por cada nueva fundición, las velocidades de producción son limitadas, ya que se requiere mas tiempo para hacer el molde que para la fundición en si, sin embargo, para ciertas partes se pueden producir moldes y fundiciones a velocidades de 400 partes por hora o mayores. En los procesos de moldeo permanente, el molde se fabrica con metal (u otro material durable) que permite usarlos en repetidas operaciones de fundición. En consecuencia, estos procesos tienen una ventaja natural para mayores velocidades de producción.

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3.1 FUNDICIÓN EN ARENA La fundición en arena es el proceso más utilizado, la producción por medio de este método representa la mayor parte del tonelaje total de fundición. Casi todas las aleaciones pueden fundirse en arena; de hecho, es uno de los pocos procesos que pueden usarse para metales con altas temperaturas de fusión, como son el acero, el níquel y el titanio. Su versatilidad permite fundir partes muy pequeñas o muy grandes y en cantidades de producción que van de una pieza a millones de éstas. La fundición en arena consiste en vaciar el metal fundido a un molde de arena, dejarlo solidificar y romper después el molde para remover la fundición. Posteriormente la fundición pasa por un proceso de limpieza e inspección, pero en ocasiones requiere un tratamiento térmico para mejorar sus propiedades metalúrgicas. En esta breve descripción se puede observar que la fundición en arena no solamente incluye operaciones de fundición, sino también la fabricación de modelos y manufactura de moldes. La secuencia se muestra en la figura 3.

Figura 3 3.1.1 Modelos y corazones La fundición en arena requiere un patrón o modelo al tamaño de la parte, ligeramente agrandado, tomando en consideración la contracción y las tolerancias para el maquinado de la pieza final. Los materiales que se usan para hacer estos modelos incluyen la madera, los plásticos y los metales. La madera es un material común para modelos, por la facilidad de trabajarla y darle forma. Sus desventajas son la tendencia a la torsión y al desgaste por la abrasión de la arena que se compacta a su alrededor, lo cual limita el número de veces que puede usarse. Los modelos de metal son más costosos pero duran más. Los plásticos representan un término medio entre la madera y los metales. La selección del material apropiado para patrones o modelos depende en gran parte de la cantidad total de piezas a producir. Hay varios tipos de modelos. El más simple está hecho de una pieza, llamado modelo sólido, que tiene la misma forma de la fundición y los ajustes en tamaño por contracción y maquinado. Su manufactura es fácil, pero la complicación surge cuando se utiliza para hacer el molde de arena. Determinar la localización del plano de separación entre las dos mitades del molde e incorporar el sistema de vaciado y el vertedero de colada para un modelo sólido, puede ser un problema que se dejará al juicio y habilidad del operario del taller de fundición. Por tanto, los modelos sólidos se usan solamente en producciones de muy baja cantidad. Los modelos divididos constan de dos piezas que separan la pieza a lo largo de un plano, éste coincide con el plano de separación del molde. Los modelos divididos son apropiados para partes de forma compleja y cantidades moderadas de producción. El plano de separación del molde queda predeterminado por las dos mitades del molde, más que por el juicio del operador. Para altos volúmenes de producción se emplean los modelos con placa de acoplamiento o los modelos de doble placa (superior e inferior). En un modelo con placa de acoplamiento, las dos piezas del modelo

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dividido se adhieren a los lados opuestos de una placa de madera o metal. Los agujeros de la placa permiten una alineación precisa entre la parte superior y el fondo (cope y drag) del molde. Los modelos con doble placa de acoplamiento son similares a los patrones con una placa, excepto que las mitades del patrón dividido se pegan a placas separadas, de manera que las secciones de la parte superior e inferior del molde se puedan fabricar independientemente, en lugar de usar la misma herramienta para ambas. Los patrones definen la forma externa de la fundición. Si posee superficies internas, se necesita un corazón para definirlas. Un corazón es un modelo de tamaño natural de las superficies interiores de la parte se hacen de arena. Se inserta en la cavidad del molde antes del vaciado, para que al fluir el metal fundido, solidifique entre la cavidad del molde y el corazón, formando así las superficies externas e internas de la fundición. El tamaño real del corazón debe incluir las tolerancias para contracción y maquinado, dependiendo de la forma, puede o no requerir soportes que lo mantengan en posición en la cavidad del molde durante el vaciado. Los soportes, se llaman sujetadores, se hacen de un metal cuya temperatura de fusión sea mayor que la de la pieza a fundir. Por ejemplo, para fundiciones de hierro colado se usan sujetadores de acero. Los sujetadores quedan atrapados en la fundición durante el vaciado y la solidificación. En la figura 4 se muestra un posible arreglo del corazón usando sujetadores. La porción de los sujetadores que sobresalen de la fundición se recortan después.

Figura 4 (a) corazón mantenido en su lugar dentro de la cavidad del molde por los sujetadores (b) Diseño posible del sujetador (c) Fundición con cavidad interna (d) manufactura del corazón

3.1.2 Moldes y fabricación de moldes El molde es una cavidad que tiene la forma geométrica de la pieza que se va fundir. La arena de fundición es sílice (Si02) o sílice mezclada con otros minerales. Esta arena debe tener buenas propiedades refractarias, expresadas como la capacidad de resistir altas temperaturas sin fundirse o degradarse. Otras características importantes son: el tamaño del grano, la distribución de tamaños del grano en la mezcla y la forma de los granos. Los granos pequeños proporcionan mejor acabado superficial en la fundición, pero los granos grandes son más permeables, para que los gases escapen durante el vaciado. Los moldes hechos de granos irregulares tienden a ser más fuertes que los moldes de granos redondos debido al entrelazado de los granos, pero esto tiende a restringir la permeabilidad. En la fabricación del molde, los granos de arena se aglutinan por medio de una mezcla de agua y arcilla. La proporción típica (en volumen) es 90% de arena, 3% de agua y 7% de arcilla. Se pueden usar otros agentes aglutinantes en lugar de la arcilla, como resinas orgánicas (por ejemplo resinas fenólicas) y aglutinantes inorgánicos (por ejemplo, silicato y fosfato de sodio). Algunas veces se añaden a la mezcla

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de arena y aglutinante ciertos aditivos para mejorar las propiedades del molde como la resistencia y permeabilidad. En el método tradicional para formar la cavidad del molde se compacta la arena alrededor del modelo en la parte superior e inferior de un recipiente llamado caja de moldeo. El proceso de empaque se realiza por varios métodos. El más simple es el apisonado a mano realizado manualmente por un operario. Además, se han desarrollado varias máquinas para mecanizar el procedimiento de empacado, las cuales operan por medio de los siguientes mecanismos: 1) compactación de la arena alrededor del patrón o modelo mediante presión neumática; 2) acción de sacudimiento, dejando caer repetidamente la arena contenida en la caja junto al modelo, a fin de compactarla en su lugar; y 3) lanzamiento, haciendo que los granos de arena se impacten contra el patrón a alta velocidad. Una alternativa a las cajas tradicionales para moldes de arena es el moldeo sin caja, que consiste en el uso de una caja maestra en un sistema mecanizado de producción de moldes. Cada molde de arena se produce usando la misma caja maestra. Se estima que la producción por este método automatizado puede ascender hasta seiscientos moldes por hora. Se usan varios indicadores para determinar la calidad de la arena para el molde: 1) resistencia, capacidad del molde para mantener su forma y soportar la erosión causada por el flujo del metal líquido, depende del tamaño del grano, las cualidades adhesivas del aglutinante y otros factores; 2) permeabilidad, capacidad del molde para permitir que el aire caliente y los gases de fundición pasen a través de los poros de la arena; 3) estabilidad térmica, capacidad de la arena en la superficie de la cavidad del molde para resistir el agrietamiento y encorvamiento en contacto con el metal fundido; 4) retractibilidad, capacidad del molde para dejar que la fundición se contraiga sin agrietarse; también se refiere a la capacidad de remover la arena de la fundición durante su limpieza; y 5) reutilización, ¿puede reciclarse la arena del molde roto para hacer otros moldes?. Estas medidas son algunas veces incompatibles, por ejemplo, un molde con una gran resistencia tiene menos capacidad de contracción. Los moldes de arena se clasifican frecuentemente como arena verde, arena seca o de capa seca. Los moldes de arena verde se hacen de una mezcla de arena, arcilla y agua, el término "verde" se refiere al hecho de que el molde contiene humedad al momento del vaciado. Los moldes de arena verde tienen suficiente resistencia en la mayoría de sus aplicaciones, así como buena retractibilidad, permeabilidad y reutilización, también son los menos costosos. Por consiguiente, son los más ampliamente usados, aunque también tienen sus desventajas. La humedad en la arena puede causar defectos en algunas fundiciones, dependiendo del metal y de la forma geométrica de la pieza. molde de arena seca se fabrica con aglomerantes orgánicos en lugar de arcilla. El molde se cuece en una estufa grande a temperaturas que fluctúan entre 204 ºC y 316 ºC. El cocido en estufa refuerza el molde y endurece la superficie de la cavidad. El molde de arena seca proporciona un mejor control dimensional en la fundición que los moldes de arena verde. Sin embargo, el molde de arena seca es más costoso y la velocidad de producción es reducida debido al tiempo de secado. Sus aplicaciones se limitan generalmente a fundiciones de tamaño medio y grande y en velocidades de producción bajas. En los moldes de capa seca, la superficie de la cavidad de un molde de arena verde se seca a una profundidad entre 10 mm y 25 mm, usando sopletes, lámparas de calentamiento u otros medios, aprovechando parcialmente las ventajas del molde de arena seca. Se pueden añadir materiales adhesivos especiales a la mezcla de arena para reforzar la superficie de la cavidad. La clasificación precedente de moldes se refiere al uso de aglutinantes convencionales, ya sea agua, arcilla u otros que requieren del calentamiento para curar. Se han desarrollado también moldes aglutinados, químicamente diferentes de cualquiera de los aglutinantes tradicionales. Algunos de estos materiales aglutinantes, utilizados en sistemas que no requieren cocimiento, incluyen las resinas furánicas (que consisten en alcohol furfural, urea y formaldehído), las fenólicas y los aceites alquídicos. La popularidad de los moldes que no requieren cocimiento está creciendo debido a su buen control dimensional en aplicaciones de alta producción.

4. FUNDICIÓN EN MOLDE PERMANENTE La desventaja económica de cualquiera de los procesos con molde desechable es la necesidad de un nuevo molde para cada fundición. En la fundición con molde permanente, el molde se reutiliza muchas veces. En la fundición en molde permanente se usa molde metálico de acero o hierro fundido construido en dos

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secciones que están diseñadas para cerrar y abrir con precisión y facilidad. La cavidad junto con el sistema de vaciado se forma por maquinado en las dos mitades del molde a fin de lograr una alta precisión dimensional y un buen acabado superficial. Los metales que se funden comúnmente en molde permanente son: aluminio, magnesio, aleaciones de cobre y hierro fundido, Sin embargo, el hierro fundido requiere una alta temperatura de vaciado, 1250 ºC a 1500 ºC, lo cual acorta significativamente la vida del molde. Las temperaturas más altas de vaciado para el acero, hacen inapropiado el uso de moldes permanentes para este metal, a menos que se hagan en moldes de material refractario. En este proceso es posible usar corazones para formar las superficies interiores del producto de fundición. Los corazones pueden ser metálicos, pero su forma debe permitir la remoción de la fundición, o deben ser mecánicamente desmontables para permitir esta operación. Si la remoción del corazón metálico es difícil o imposible se pueden usar corazones de arena, en este caso el proceso de fundición es frecuentemente llamado fundición en molde semipermanente.

Figura 5 se muestra el moldeo de una polea en molde permanente

Los pasos en el proceso de fundición con molde permanente se describen en la figura 5. Los moldes se precalientan primero para prepararlos, y se rocía la cavidad con uno o más recubrimientos. El precalentamiento facilita el flujo del metal a través del sistema de vaciado y de la cavidad. Los recubrimientos ayudan a disipar el calor y a lubricar la superficie del molde para separar fácilmente la fundición. Tan pronto como solidifica el metal, el molde se abre y se remueve la fundición. A diferencia de, los moldes desechables, los moldes permanentes no se retraen, así que deben abrirse antes de que ocurra la contracción por enfriamiento a fin de prevenir el desarrollo de grietas en la fundición. Las ventajas de la fundición en molde permanente incluyen buen acabado de la superficie y control dimensional estrecho. La solidificación es más rápida causada por el molde metálico genera una estructura de grano más fino, de esta forma pueden producirse fundiciones más resistentes. El proceso está limitado generalmente a metales de bajo punto de fusión. La manufactura de formas geométricas más simples que las fundidas en molde de arena (debido a la necesidad de abrir el molde) constituye otra limitación, además del costo. Debido al costo sustancial del molde, el proceso se adapta mejor a producciones de alto volumen que pueden automatizarse. Las partes típicas que se producen con proceso de molde permanente incluyen pistones automotrices, cuerpos de bombas y ciertas fundiciones para aviones y proyectiles. Fundición hueca La fundición hueca es un proceso de molde permanente en el cual se forma un hueco al invertir el molde, después que el metal ha solidificado Parcialmente en la superficie del molde, drenando así el metal líquido del centro. La solidificación empieza en las paredes relativamente frías del molde y progresa con el tiempo hacia la parte media de la fundición. El espesor del casco se controla por el tiempo que transcurre antes de drenar. La fundición hueca se usa para hacer estatuas, pedestales de lámparas y juguetes a partir de metales de bajo punto de fusión como plomo, zinc y estaño. En estos artículos lo importante es la apariencia exterior, pero

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la resistencia y la geometría interior de la fundición no son relevantes.

4.1 FUNDICIÓN A PRESIÓN La fundición a presión es un proceso que utiliza moldes permanentes, se clasifican en: fundición a baja presión, fundición con molde permanente al vació y fundición en dados. Fundición a baja presión: el metal líquido se introduce dentro de la cavidad a una presión aproximada de 0.1 MPa, aplicada desde abajo, de manera que el metal fluye hacia arriba como sé, ilustra en la figura 6. La ventaja de este método sobre el vaciado tradicional es que se introduce en el molde un metal limpio desde el centro del crisol, en lugar de un metal que ha sido expuesto al aire. Lo anterior reduce la porosidad producida por el gas y los defectos generados por la oxidación, y se mejoran las propiedades mecánicas.

Fundición con molde permanente al vacío

Figura 6

La fundición con molde permanente al vació es una variante de la fundición a baja presión en la cual se usa vacío para introducir el metal fundido en la cavidad del molde. La configuración general del proceso es similar a la operación de fundición a baja presión. La diferencia es que se usa la presión reducida del vacío en el molde para atraer el metal líquido a la cavidad, en lugar de forzarlo por una presión positiva de aire desde abajo. Los beneficios de la técnica al vacío, en relación con la fundición a baja presión, son que se reduce la porosidad del aire y los efectos relacionados, obteniendo una mayor resistencia del producto de fundición. La fundición en dados se efectua en molde permanente inyectando el metal fundido en la cavidad del molde a alta presión, entre 7 a 350 MPa. La presión se mantiene durante la solidificación; posteriormente, el molde se abre para remover la pieza. Los moldes se llaman dados. El uso de alta presión para forzar al metal dentro de la cavidad del dado es la característica más notable que distingue a este proceso. Las operaciones se llevan a cabo en máquinas especiales. Las máquinas modernas de fundición en dados están diseñadas para mantener un cierre preciso de las dos mitades del molde y mantenerlas cerradas, mientras el metal fundido permanece a presión dentro de la cavidad. La configuración general se Figura 7 muestra en la figura 7 Existen dos tipos principales de máquinas de fundición en dados: 1) de cámara caliente y 2) de cámara fría; sus diferencias radican en la forma en que se inyecta el metal a la cavidad. En las máquinas de cámara caliente, el metal se funde en un recipiente adherido a la máquina y se inyecta en el dado usando un pistón de alta presión. Las presiones típicas de inyección son de (7 a 35 MPa). La fundición se resume en la figura 8. Son velocidades características de producción de hasta 500 partes por hora. La fundición en dados con cámara caliente impone una dificultad especial en el sistema de inyección, porque gran parte de dicho sistema queda sumergido en el metal fundido. Por esa causa, las aplicaciones del proceso quedan limitadas a metales de bajo punto de fusión que no atacan químicamente al pistón y a otros componentes mecánicos. Estos metales incluyen al zinc, al estaño, al plomo y algunas veces al magnesio.

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En las máquinas de fundición en dados con cámara fría, el metal fundido procedente de un contenedor externo para colar, se vacía en una cámara sin calentar y se usa un pistón para inyectar el metal a alta presión en la cavidad del dado. Las presiones de inyección usadas en estas máquinas van típicamente (14 a 140 MPa). La 8 una velocidad de ciclo no es tan rápida con respecto a las máquinas de cámara caliente, debido a que esFigura necesaria cuchara de colada para vaciar el metal líquido desde una fuente externa en la cámara. Sin embargo, este proceso de fundición es una operación de alta producción. Las máquinas de cámara fría se usan típicamente para fundiciones de aluminio, latón y aleaciones de magnesio. Las aleaciones de bajo punto de fusión (zinc, estaño, plomo) pueden también fundirse en máquinas de cámara fría, pero las ventajas del proceso de cámara caliente favorecen más el uso de estos metales. Los moldes que se usan en operaciones de fundición en dados se hacen generalmente con acero de herramienta y acero para moldes refractarios. El tungsteno y el molibdeno con buenas cualidades refractarias también se utilizan, especialmente en los intentos para fundir el acero y el hierro en dados. Los dados pueden tener una cavidad única o múltiple se muestran en la figura 9. Se requieren pernos expulsores para remover la parte del dado cuando éste se abre, como se muestra en los diagramas. Estos pernos empujan la parte de manera que puedan removerse de la superficie del dado. También es necesario rociar lubricantes en las cavidades para prevenir el pegado. Como los materiales del dado no tienen porosidad natural y el metal fundido fluye rápidamente en el dado durante la inyección, se deben construir barrenos o vías de paso en el plano de separación de los dados para evacuar el aire y los gases de la cavidad. Aun cuando los orificios son bastante pequeños, se llenan con el metal durante la inyección, pero éste debe quitarse después. También es común la formación de rebabas en lugares donde el metal líquido a alta presión penetra entre los pequeños espacios del plano de separación o en los claros alrededor de los corazones y de los pernos expulsores. La rebaba debe recortarse de la fundición junto con el bebedero y el sistema de vaciado. Las ventajas de la fundición en dados incluyen: 1) altas velocidades de producción; 2) son económicas para volúmenes grandes de producción; 3) son posibles tolerancias estrechas, del orden de ± 0.076 mm en partes pequeñas; 4) buen acabado de la superficie; 5) son posibles secciones delgadas hasta cerca de 0.05 mm y 6) el enfriamiento rápido proporciona a la fundición granos de tamaño pequeño y buena resistencia. Las limitaciones de este proceso, además de los metales que maneja, son la restricción en la forma de las piezas. La geometría dé la parte debe ser tal que pueda removerse de la cavidad del dado.

Figura 9 CALCULO DE METAL NECESARIO PARA LA COLADA

La masa de metal mt, que se precisa para obtener una pieza fundida es: mt  m p  md  ms , donde mp, masa de la pieza md, masa de los conjuntos de distribución ms, masa que se adiciona como margen de seguridad y se estima que es entre 5-10% de mp+ms El cálculo se reduce en hallar el volumen total de los huecos. Para ello se descompone en volumnes V1, V2, V3,… de forma geometrica sencilla, cono lo cual: Vt=V1+V2+V3 …. y mt   (V 1  V 2  V 3  ....)  ms .

RENDIMIENTO DE FUNDICION: es la relacion entre la cantidad de mp de metal necesario para obtener la pieza propiamente dicha y la cantidad de metal total mt, osea:

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Rf 

mp mt

2. Presión metalostática Mientras que el metal permanece en estado líquido en el interior del molde, ejerce presiones sobre las paredes del mismo y sobre los machos que se encuentran parcialmente sumergidos. De acuerdo con la estática de fluidos, el valor de la presión p en un punto del metal líquido nos lo da la expresión:

p  gh donde: δ, densidad; g, aceleración de la gravedad (9,8 m/s-2) y, h, distancia del punto considerado a la superficie libre del líquido. Esta presión origina en un elemento de superficie dA, una fuerza normal dF = δg.h.dA y en toda la superficie A



la fuerza Fn   .g hdA, siendo A

 hdA =h dA (teorema de Guldin); por tanto Fn   .gh A

G

G

A , donde:

hG = distancia del c.d.g. de la superficie A a la superficie libre del metal. En general, las superficies pueden tener cualquier orientación y, por tanto, las fuerzas normales a ellos. En estos casos lo que interesa desde el punto de vista del moldeo, es hallar las resultantes vertical y horizontal de todos las fuerzas que se ejercen sobre las paredes del molde y de los machos. 2.1. Esfuerzos sobre el molde.-Se pueden resumir en: a. Fuerzas locales, los que se desarrollan en una determinada superficie del mismo. Valen Fn   .ghG A . b. Resultante vertical hacia abajo de todos las fuerzas que se desarrollan en la mitad inferior del molde, originan una compresión, que han de soportar la arena de moldeo y el asiento sobre el cual se apoya el molde. c. Resultante vertical, hacia arriba, de todas las fuerzas que se desarrollan en la mitad superior del molde. Esta resultante tiende a levantar la caja superior y como, para impedirlo, no suele ser suficiente su peso, es necesario colocar encima pesos adicionales que hay que calcular en cada caso. El valor de la resultante vertical en ambos casos es fácil de calcular. En efecto, considerando la superficie A, en ella el elemento dA estará sometido la fuerza normal dFn = δghdA, cuya componente vertical es dFv = δghdAcosα, por tanto la fuerza vertical Fv=δgV, donde V = volumen situado por encima de la superficie A hasta la superficie libre del metal y limitado lateralmente por s verticales que pasan por el perímetro de dicha superficie. Por tanto, Fv no es más que el peso del metal cuyo volumen es V y su sentido dependerá de la posición de la superficie A. d. Resultantes horizontales de los esfuerzos que actúan sobre las redes laterales del molde.-Tienden a comprimir la arena de moldeo contra las paredes del molde y su resistencia debe ser adecuada para impedirlo. Si el cierre de las cajas es vertical, tenderán a abrirlas, lo que e impide tomando las debidas precauciones. 2.2 Fuerzas sobre los machos, se considera los siguientes a. Esfuerzos locales, los que actúan en determinadas secciones de los mismos. b. Resultante vertical hacia arriba, su valor es la diferencia: Fv = E - P, entre el empuje E =δgV (debido al principio de Arquímedes) y su peso P =δ mgV, o sea, Fv = (δ-δm) gV, donde, δ y δm son, respectivamente, las densidades del líquido y del macho y V el volumen del mismo.' rodeado de metal líquido. Esta resultante tiende a levantar el macho y, para impedirlo, se le empotra en el molde por las portadas o se sujeta con soportes para machos. Si el macho se coloca en posición horizontal, estará sometido a flexión, si se sitúa en posición vertical tenderá a desplazarse hacia arriba, comprimiendo la portada superior. La resultante que actúa sobre el macho tiende también a levantar la caja superior del molde, si las portadas se apoyan en ella.

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c. Fuerzas de penetración. En machos con una sola portada, por ejemplo en un macho horizontal en voladizo, además de fuerza vertical ascendente, actúa una fuerza horizontal sobre la superficie del extremo libre, que tiende a hacerle penetrar en su portada.

3. DISEÑO DE MAZAROTAS. Las mazarotas son reservorios de metal líquido conectados a una pieza que proveen de metal adicional para alimentarla durante el proceso de su solidificación, a consecuencia del requerimiento de los fenómenos de rechupe y de contracción en el líquido; por lo tanto, cualquier método cuantitativo a ser usado para el dimensionado de la alimentación de piezas vaciadas con intenciones de controlar su sanidad, se debe fundamentar en dos criterios de naturaleza metalúrgica son: a. La magnitud de la contracción de solidificación, es decir, del rechupe y de la contracción en el estado líquido, magnitudes que dependen de la composición del metal o aleación; de la temperatura de vaciado; y de la rigidez del molde. Los efectos de cada uno de estos parámetro son los siguientes: a.1 Como el efecto de la contracción en el estado líquido depende de la intensidad de intercambio calórico, cuando la intensidad de enfriamiento es baja no se producen dificultades particulares en los cálculos del rechupe. El cambio volumétrico que sucede en el estado líquido cuando la pieza se está enfriando, ΔVL, se determina a partir de la ecuación: ΔVL = γL VM ΔTL; donde γL es la contracción volumétrica del -1 3 metal líquido, ºC ; VM es el volumen de la cavidad del molde, cm ; y ΔTL es el sobrecalentamiento, (Tm -TL), ºC. Si el enfriamiento es muy intenso, la contracción del metal líquido juega un rol muy importante en la solidificación; bajo estas condiciones, tan pronto como se ha extraído el calor de sobrecalentamiento, se forma una capa sólida sobre la superficie del molde. Esta capa inicia la armadura de la pieza, y la posterior reducción del volumen de metal líquido conduce al aumento de las cavidades de rechupe. a.2 Durante el cambio de estado de agregación, es decir durante la solidificación, el cambio volumétrico o rechupe conduce a la formación de cavidades en el interior de la pieza. Al existir solidificación progresiva en dicha pieza, es decir que la relación [(ΔTs/ΔT12) > 1] define dicha condición, lo que conduce a que la temperatura prácticamente decaiga a la misma velocidad en todos los puntos de la pieza. En la zona pastosa, es decir a temperaturas menores a la temperatura del liquidus de la aleación, se forman dendritas a través de todo el volumen de la pieza, para formar una red de cristales o celdas que crecen de manera individual donde su propia contracción por rechupe conduce a porosidad distribuída en toda la pieza. Los cambios volumétricos producidos durante la transformación líquido-sólido a la temperatura de solidificación o por debajo de ella, Figura 2 conducen a la generación de esfuerzos de fase que pueden conducir a desgarramiento en caliente. b. Consideraciones de los aspectos metalúrgicos: b.1 El frente de solidificación, es decir, de la naturaleza de la zona pastosa; ella puede ser suave o rugosa, así como también puede ser estrecha o amplia, lo cual depende de la composición de la aleación. b.2 La naturaleza del crecimiento cristalino de las intercaras, esquematiza las isotermas del solidus desde la zona borde o externa en placas; en ella, se muestran los frentes de solidificación para dos casos diferentes que conducen a establecimiento de diferentes gradientes de temperaturas dentro de la pieza que está solidificando. b.3 La nucleación de cavidades

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b.4 La distribución espacial de la temperatura y de la dirección del frente de solidificación, es decir, de los gradientes de temperatura determinados por ejemplo, a partir de las ecuaciones de la solución general de Schwartz. b.5 La presión de alimentación. En su forma más simple, este importante factor a ser considerado en el diseño de mazarotas afecta a la capa de sólido. La presión total de alimentación, hf, tiene dos componentes: la presión hidrostática, hg, y la atmosférica ha. La presión total por unidad de área a una profundidad h dentro del molde es: hf = hg + ha; es decir: p = h ρ+ pa ; donde ρ es la densidad del metal y pa es la presión atmosférica. Un hecho muy importante a considerar es que el sobredimensionado de las mazarotas crea una excesiva presión metalostática sobre las paredes de los moldes y sobre el metal líquido, lo que conduce a expansión de los mismos y se produce el defecto conocido como movimiento de las paredes de los moldes. b.6 La composición del líquido alimentador, b.7 El número de mazarotas que requiere una pieza, que depende del rango de alimentación de las piezas, así como también de otros factores que incluyen a los diseños: de moldeo, de los canales de entrada, del método de moldeo, y de la direccionalidad de la solidificación. 3. 1 CARACTERÍSTICAS DE SOLIDIFICACIÓN DE PLACAS Se puede considerar, que una placa solidifica en tres etapas que son: primeramente, se forma el sólido en una zona borde o zona externa, donde existe una amplia región de líquido delante de los frentes de solidificación que van avanzando, como se ilustra en la figura 3, donde el metal líquido fluye libremente y siempre está en contacto con las dendritas, por lo tanto, llena el espacio que de otra manera quedaría sin llenar a medida que el metal solidificado se Figura 3 contrae. En segundo lugar, las puntas de las dendritas constriñen el flujo de metal, para finalmente de manera eventual ponerse en contacto con ese líquido; esto, conduce a que el flujo de líquido metálico se vea impedido de llenar las regiones entre dendritas lo queda origen a cavidades de rechupe. En la figura 4, se esquematiza cómo solidifica una región de una pieza que tenga forma de cuña, donde se aprecia que no hay frentes de solidificación paralelos. Este hecho, hace que la alimentación líquida en los espacios interdendríticos sea posible aún cuando haya avance del frente de solidificación. Cuando en una pieza hay el establecimiento de un gradiente térmico, también se produce efectos similares, figura 5, donde se muestra cómo es la solidificación de una placa, cómo se distribuyen los gradientes de temperatura en la sección vertical de ella, y cómo son los perfiles de temperatura a lo largo de esa sección vertical para diferentes tiempos. Una placa como la esquematizada en la figura 6 primero se solidifica en las esquinas o bordes, figura 6.a, donde las dendritas crecen más rápidamente que en el centro de ella; lo cual es debido al enfriamiento producido en todos los lados. Como se ve en la figura 6.b, la sección alimentadora disminuye la velocidad de crecimiento de las dendritas en las regiones cercanas a las mazarotas, para formar un frente de solidificación en forma de cuña. Por supuesto, los dos frentes de solidificación se ahusan hacia el centro, debido al gradiente térmico establecido, porque en esa zona ese ángulo es lo suficientemente obtuso como para solidificar sin producir cavidades. En la figura 6.c se aprecia que las zonas externas (1) y de alimentación (2) son continuas y producen una región libre de defectos. En la figura 6.d claramente se evidencia que las zonas externa (1) y de alimentación (2) no son continuas; por lo tanto, en la zona central (3) se formarán cavidades a consecuencia de que los frentes de solidificación son paralelos. Obsérvese que hay similitud entre las figuras 4 a 6. Es de hacer notar, que el gradiente térmico creado cerca de la zona del alimentador de metal líquido o mazarota, figura 6, permite que ésta actúe como un reservorio de calor, lo cual facilita que la zona de la pieza adyacente a la mazarota permanezca líquida por largos tiempos. Por esta razón, las dendritas en esta zona solidifican más lentamente que en el centro de la placa; lo que conduce a que ahora el frente de solidificación tenga la forma de

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cuña y en consecuencia se pueda producir una pieza sana.

Figura 4

Figura 5

Si el alimentador y la zona externa, es decir la región de la pieza que primero se enfría, siempre tienen contacto líquido/líquido, la pieza será sana; por el contrario, si estas zonas llegan a estar separadas por dendritas, inevitablemente habrá formación de cavidades en la zona media de las placas donde haya frentes de solidificación paralelos. Por estas razones, se encuentra que la distancia máxima de alimentación, D, de una sola mazarota en función del espesor, T, de la placa, está dado por la expresión: D = 4,5 T, donde la contribución del borde es 2,5 T, y la contribución de la única mazarota es 2T; esquematizado en la figura 7

Figura 6

Figura 7

3.2

CARACTERÍSTICAS DE SOLIDIFICACIÓN DE BARRAS Y PLACAS DE SECCIÓN RECTANGULAR. La figura 8 compara las direcciones de extracción de calor para una placa y para una barra de sección rectangular en la zona externa o del borde, cuyos espesores son idénticos. Se nota claramente que para la barra de sección rectangular hay 5 direcciones, mientras que para la placa solamente hay cuatro direcciones de extracción de calor; por supuesto, esas direcciones de extracción de calor son siempre perpendiculares a las correspondientes superficies. Las cuñas de solidificación son inicialmente muy empinadas y por lo tanto muy cortas en sus rangos de alimentación de metal líquido, para conducir a piezas sanas; mientras más grueso es el espesor en las placas o en las barras, mayor longitud lt del rango de alimentación, como se esquematiza en la figura 9. La transición de placa a barra da para infinitas variaciones, como se observa en la figura 10, para aceros al carbono; donde se aprecian los efectos del uso de enfriadores en las placas, que incrementan en 2 pulgadas (50 mm) el efecto de los bordes. La distancia de alimentación por parte de una mazarota es mayor para la placa que para una barra, porque como lo ilustra la figura 7, el crecimiento dendrítico en las placas ocurre en dos direcciones principales de las paredes y por lo tanto hay menor resistencia al transporte de metal que va a ser alimentado. La zona externa o borde de las barras, también se incrementa por el uso de enfriadores, pero es recomendable no permitirlo en los cálculos. Como se deduce de la figura 10, de manera genérica, la distancia o rango de alimentación, lf, se expresa en términos de un factor de borde que tiene aproximadamente un valor igual a dos veces y media el espesor T de la pieza, más un factor de longitud que alcanza a ser 50 mm (2 pulgadas). Cuando la placa es mayor que la longitud a la que la distancia de alimentación de una mazarota puede alimentarla, es necesario usar mazarotas adicionales. En la figura 10, claramente se ve que cuando se usan dos mazarotas contiguas, la máxima distancia de alimentación entre ellas es 4T; mientras que si se coloca un enfriador entre ellas, la distancia máxima de alimentación cambia notablemente en cuanto a las contribuciones de las mazarotas y del enfriador. Es necesario enfatizar que la distancia de alimentación de una mazarota puede ser aplicada en cualquier dirección. El rango de alimentación se ve afectado por los mismos factores que afectan a la zona pastosa.

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Figura 8

figura 9

Figura 10 3.MÉTODOS DE CÁLCULO DEL MAZAROTA. A continuación se presentan tres métodos de cálculo para determinación del tamaño de las mazarotas en la práctica industrial. 3.1.MÉTODO DE CAINE. Está basado en la experimentación y puede ser aplicable a todos los metales y aleaciones; se fundamenta en los principios de la Regla de Chvorinov que establece que el tiempo de 2 solidificación de una pieza está gobernada por la relación (Volumen/Area) , mediante el uso de la hipérbola: 3.1

donde x se le denomina la relación de solidificación, que corresponde al tiempo relativo necesario para que se complete la solidificación; e y es la relación volumétrica, dadas por las expresiones:

Figura 11

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a, es una constante característica de la solidificación; b, es la contracción de solidificación líquido-sólido; y c, es la velocidad relativa de enfriamiento entre la mazarota y la pieza. De manera gráfica, esto se presenta en la figura 11 donde se puede ver que la curva expresada por la ecuación (3.1) divide la gráfica en dos regiones, una sólida que corresponde a la pieza sana y otra en donde la pieza presenta rechupe y por lo tanto es insana. Esta figura puede interpretarse como si la curva nos indicara que para un volumen dado de pieza, existe un tamaño mínimo requerido de mazarota; lo cual representa la cantidad de metal requerida para alimentar el rechupe de solidificación. La figura 12 coteja los resultados experimentales con los dados por la curva hiperbólica para un conjunto de piezas manufacturadas en un determinado acero, que solidifica bajo específicas condiciones de enfriamiento que siempre son las mismas. Figura 12

Cuando en una pieza se requieren múltiples mazarotas, la determinación del tamaño de ellas se basa en la relación Area Superficial a Volumen de la porción de la pieza alimentada por esta mazarota. Si la pieza es de forma irregular, es de esperarse que las mazarotas sean de diferentes tamaños. 3.2.MÉTODO N. R. L. Fue desarrollado en el Naval Research Laboratory, para obtener el mínimo tamaño de mazarota cilíndrica, capaz de alimentar piezas cuyas geometrías son cubos, barras y placas, manufacturadas en aceros. Usa el concepto del Factor de Forma, Ff, para sustituir la relación (Area Superficial/Volumen) desarrollado por Caine. Ff = (L + W)/T (3.2) donde L es longitud, W es ancho, y T espesor de la sección considerada.

Figura 13

Figura 15

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Figura 14

En forma gráfica se expresa en la figura 13 para una determinada relación (H/D), siendo H y D la altura y el diámetro de la mazarota, respectivamente. El procedimiento utilizado para el cálculo de la mazarota consta de cuatro etapas y es el siguiente: 1. Determinación de Ff mediante el uso de las dimensiones del cuerpo principal de la pieza o de la sección a ser considerada. 2. Derivación de la relación (Vm/Vp) a partir de la figura 13 3. Se calcula el volumen de la mazarota, Vm, a partir del de la pieza. 4. Para obtener el diámetro de la mazarota, D, se utilizan gráficas de volumen de mazarota en función de su altura para la relación (H/D), figura 14 donde la altura de la mazarota que corresponde a las líneas inclinadas están delimitadas por (H/D) = 1 y (H/D) = 0,5 como valores extremos. Es conveniente seleccionar el tamaño de la mazarota en función de la curva para (H/D) = 1 y ajustarla experimentalmente. Para piezas de geometría complicada, se usa la figura 15 donde cada sector de la pieza se equivale con las figuras simples de placa y barra, donde una de ellas alimenta a la otra y la mazarota se coloca en la pieza alimentadora. A partir de la relación (espesor del apéndice/espesor de la pieza principal), su resultado se usa para determinar el tamaño de la mazarota mediante la figura 15. 3.3 MÉTODO DEL MÓDULO DE ENFRIAMIENTO. Desarrollado por R. Wloadawer basado en la Regla de Chvorinov extendido a consideraciones sistemáticas sobre materiales exotérmicos, rellenos, enfriadores, y otras ayudas para lograr solidificación direccional. Consiste este método en determinar el Módulo de Enfriamiento, M,dado por la relación: Módulo de Enfriamiento, M = [Volumen/(Area Superficial de Extracción de Calor)] 3.3 La pieza se divide en tantas formas básicas como sean necesarias, a las cuales se les determina sus módulos de enfriamiento, teniendo cuidado de no considerar áreas comunes entre secciones donde no se extrae el calor. Para aceros, la cavidad máxima de rechupe es de aproximadamente 14% y se toma: Mm ≥1,2 Mp, siendo Mm el módulo de la mazarota y Mp el módulo de la pieza. Se parte del principio de que dos piezas con igual valor del módulo, solidifican en el mismo tiempo, independiente de la forma geométrica que ellas tengan.

Figura 16 La ubicación de las mazarotas puede ser sobre la zona a ser alimentada y se les llama mazarotas cimeras, figura 16.a o pueden ser mazarotas laterales; de igual manera, pueden ser abiertas a la atmósfera o ser mazarotas ciegas,

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figura 16.b, donde su conexión con la atmósfera se realiza a través de un macho hecho en arena, denominado Macho de Williams; en esta figura no está representado. 3.4 FORMA DE LAS MAZAROTAS Y CÁLCULO DE LOS CONECTORES. La forma más eficiente que debe tener una mazarota es aquella que minimice las pérdidas de calor, de manera que el metal permanezca en estado líquido el mayor tiempo posible. Las más comunes formas son la cilíndrica, lado izquierdo y la semiesférica, centro, como se esquematiza en la figura 17, cuando son mazarotas abiertas. Cuando las mazarotas son ciegas, figura 17 lado derecho, es importante considerar la altura h del Macho de Williams, que permite que la presión atmosférica llegue hasta la cavidad de rechupe.

Figura 17

Figura 18

Figura 19

Figura 20

Las mazarotas despues de solidificada la pieza se les corta y se les refunde; en consecuencia, es importante que la cantidad de metal contenido en ellas sea reducido al mínimo para que produzca el máximo rendimiento. Todo esto conduce a que se piense en la necesidad de conectar la mazarota a la pieza, lo que se realiza a través de los conectores, que tambien permiten que se pueda eliminar fácilmente las mazarotas. Cuando las mazarotas son laterales, las dimensiones del conector entre la mazarota y la pieza se presentan en la figura 18 es el diámetro de la sección circular del conector; LN es la longitud del conector, la que debe ser lo más corta posible; y nótese que la altura de la mazarota es 1,5 veces su diámetro, D. El dimensionado es el siguiente: (LN)máx. = 0,5 D (5.41); DN = 1,2 LN + 0,1 D Si la mazarota es lateral, pero la pieza es en forma de placa como se esquematiza en la figura 19, las dimensiones son: (LN)máx. = (D/3); 0,6 < HN< 0,8 T; WN = 2,5 LN + 0,18 D) Para mazarotas cimeras, figura 20, el dimensionado del conector es: (LN)máx. = 0,5 D (5.44); DN = LN + 0,2 D (5.45)

Sistema de alimentación El sistema de alimentación mostrado en la figura 1 comprende todos los canales por las cuales fluye el metal fundido, para llenar la cavidad del molde. Cumple-diversas funciones, como: a. Permitir - la entrada del metal dentro del molde, con la mínima. turbulencia posible para evitar la

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b. c. d. e. f.

erosión del molde y la absorción de gases. Establecer u6a solidificación direccional (solidificación que progresa hacia el metal caliente). Llenar completamente la cavidad del molde. Actuar como un sistema de ventilación para eliminar los gases del molde. Actuar como un alimentador. Ser diseñados de tal manera que no deteriore el molde durante la colada.

Figura 1 Los elementos del sistema de alimentación son 1. La Balsa Son depósitos colocados (figura 1-a) en la parte superior del bebedero, fabricados de arena refractaria o de metal, pueden formarse al recorta la mitad superior del molde de arena. Ventajas al emplear: a. Facilitan al operador de la cuchara de mantener el flujo requerido. b. Hacen mínima la turbulencia y el arremolinado en la entrada del bebedero. c. Ayudan a separar la escoria del metal, antes de que ingrese al bebedero. En las figuras siguientes se muestran diferentes tipos y tamaños de balsa. En la balsa se colocan filtros para impedir el arrastre de escorias

Figura 1-a

Para moldes grandes Ch. Trenckle, ha hecho depender la profundidad de la balsa de la longitud del bebedero. Generalmente el diámetro superior de la balsa es aproximadamente 3 veces el diámetro del bebedero y su altura es igual o ligeramente menor que su diámetro. Un diseño típico de balsa, con arena de alma para coladas por el fondo se ilustra en la fig. 3. Para piezas grandes que se vacean con cucharas por el fondo, se utilizan balsas de material cerámico y su diseño corresponde a1 ilustrado en la figura 2.

2. El bebedero Es el primer canal usualmente vertical, que conecta la balsa con el canal de colada (figuras 4, 5 y 6). Cuando

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un líquido cae permanece unido, siendo su volumen constante (ecuacion de continuidad) pero debido a la creciente velocidad con que cae, la sección del chorro disminuirá. Las secciones (A), se pueden calcular a partir de la velocidad (v) este es conociendo la altura (h) y la capacidad de succión o cantidad de metal que fluye por segundo (Q)

Figura 2

Figura 3

Sabemos que Q  A.v , v  2 gh de donde: A  0.0226

d  0.17

Q

Q

, considerando una sección circular:

h

,

h

Si la sección es cuadrada: A  a 2 , luego a  0.15

Q h

El bebedero calculado mediante estas ecuaciones ofrece ventaja de que el metal llena por completo la sección del canal y no se insufla aire alguno en el molde. Si fuesen de temer remolinos en el bebedero, se elegiría una sección circular en ves de cuadrada o rectangular, fig. 59. Al descender el metal por el bebedero, su velocidad aumente debido a la aceleración de la gravedad, y s i el bebedero no se ahusa, el metal jala las paredes del molde con 1a turbulencia y aspiración consiguientes. Al ahusar convenientemente las paredes, como para que el metal las oprima firmemente durante su caída, se elimina la aspiraci6n Siendo Al el área de la entrada del bebedero y A2 el área en cualquier otro lugar del bebedero, la conicidad fig. 60, es determina. con la siguiente expresión:

A1  A2

z2 z1

El bebedero ideal debe tener ahusamiento parabólico, pero se ha adoptado que en la práctica es suficiente calcular las áreas de entrada y salida.

Figura 4

Figura 5

Figura 6

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2.1 Determinación de la altura efectiva de llenado (Hef), que permanece constante o varía según el sistema de alimentación. H, altura de llenado. B, altura que se llena, C, altura a llenar En las figuras siguientes se muestran diferentes sistemas de alimentación y las alturas efectivas H= constante, luego Hef= contante (figura 7) H= constante, luego Hef= contante (figura 8) Inicio = H, Final = H – C (figura 9), luego

H ef 

H  (H  C) C H 2 2

En la figura 10 a. Hef desde el inicio hasta la linea de partición, en la porcion (C-B), será: H ef  H b. Hef en el fin de la colada, en la porcion (B), admitiendo la velocidad del metal cte en el trnascurso del vaciado, para la altura efectiva arriba del nivel de la linea de partición, cte e igual a:

H ef  H 

B 2

la altura efectiva promedio de llenado, es:

H ef

B  (H  C)   H  B B2 2   H 2 2C

Figura 7

Figura 8

Figura 9

Figura 10

2.2 Determinación de área de choque (Ac). El área de choque es aquella parte del sistema de alimentación que más restringe el flujo de metal dentro de la cavidad del molde; es decir, el área mínima de sección transversal. En los sistemas a presión, aplicados principalmente en las aleaciones ferrosas, el área de choque es el área de ataque. Se pueden determinar de dos formas: a. Aplicando la formula de Ac como sigue: Por la ecuación de continuidad, siendo Q el flujo de metal, v la velocidad y Ac el área de choque:

Q  Ac .v 

Ac 

Q v

luego la velocidad media en la sección es:

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v  c 2 gH ef , donde c es un coeficiente empírico. El tiempo de colada según Dietert es: t  K P t, si Q 

V P , V  , asumiendo como coeficiente la t 

siguiente expresión:

x

1

Kc 2 g

, haciendo los reemplazos se tiene: Ac  x

P H ef

experimental Dietert determinó que x para fundición gris es: 4.86 Acero x= 10.60 Bronce x= 5.34 Aluminio x= 8.25

DEFECTOS EN PIEZAS FUNDIDAS Se define como defecto de fundición a cualquier imperfección en la pieza vaciada que no satisface una o más de las especificaciones de diseño o de calidad; limitándose usualmente este término a imperfecciones formadas por inadecuadas condiciones de vaciado y de solidificación de las piezas. A esas imperfecciones se les empieza a considerar como defectos o fallas solamente cuando la función satisfactoria o la apariencia del producto es cuestionada; sin embargo, hay que tener en mente que ese producto pueda ser salvado o en los casos más serios sea rechazado y reemplazado. Este tipo de decisión no solamente depende del tipo de defecto sino de su significado con respecto a su función en servicio; por lo tanto, hay que tener en cuenta la necesidad de aplicar normas de calidad y de inspección. De lo afirmado, se concluye que la producción de piezas vaciadas sanas es de una gran importancia económica. 1. TIPOS DE DEFECTOS. En el lenguaje tradicional la denominación de los defectos, que entre los más usados para describir imperfecciones de vaciado están: colas de rata (rattail), costras (scabs), bucles (buckles), y falta de unión (shut); por lo tanto, es necesario establecer la etimología de términos. Un defecto es la carencia o la falta de las cualidades propias y naturales de un producto; mientras que una falla se le puede definir como una pérdida de resistencia que conduce a que ese producto se rompa y deje de servir. En fundición, la experiencia ha demostrado que los defectos representan un cierto porcentaje de las piezas vaciadas. 2. ANÁLISIS DE LOS DEFECTOS EN PIEZAS FUNDIDAS Dado que los defectos casi nunca son debidos a una sola causa, el análisis de su producción en piezas vaciadas hace imprescindible el tomar en cuenta los siguientes aspectos: a. La localización de los defectos, en particular con relación a una determinada referencia del sistema de fabricación de la pieza; de igual manera, se debe considerar si los defectos son superficiales o subsuperficiales. b. El origen de los defectos, que conduce a establecer si se deben a diseño de la pieza vaciada; si es a la técnica de manufactura; o si es a las propiedades y/o características de la aleación líquida. c. Los métodos de detección, que pueden ser mediante ensayos no destructivos que incluyen a la inspección visual, por ultrasonido, por líquidos penetrantes o por partículas magnéticas; y mediante ensayos destructivos donde se incluye a la metalografía y a los ensayos mecánicos. Debido al amplio rango de causas que contribuyen a la generación de defectos, se dificulta la lógica clasificación de los defectos en las piezas vaciadas; sin embargo, de una manera general se pueden agrupar los defectos en función de un amplio rango, en las siguientes categorías  Fallas en la forma que provienen del vaciado;  Inclusiones y defectos causados por la arena;  Defectos gaseosos;

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 Defectos de rechupe debidos a contracción volumétrica en el estado líquido y durante la solidificación;  Defectos de contracción que principalmente ocurren durante o después de la solidificación;  Errores dimensionales; y  Errores debidos a la composición química y a la segregación. Otra forma de clasificar los defectos en las piezas fundidas es como lo establece el Comité Internacional de la Sociedad Norteamericana de Fundidores, American Foundrymen's Society, que ha normalizado la nomenclatura que consta de una letra y tres dígitos. 3. ORÍGENES DE DEFECTOS EN PIEZAS FUNDIDAS. Desde el punto de vista fundamental, a continuación brevemente se describirán los orígenes de algunos tipos de defectos encontrados en piezas, que complementan a los normalizados según el Comité Internacional de la Sociedad Norteamericana de Fundidores: 3.1.-DEFECTOS EN LA FORMA DE LA PIEZA DEBIDOS AL VACIADO. Dado que el metal líquido al entrar al molde debe satisfactoriamente llenar su cavidad, para que se produzca una capa delgada que esté en contacto íntimo con toda la superficie del molde, si es incompleta produce un serio defecto denominado Llenado Incompleto (misrun) o No Llenado (short run) de la pieza y consiste en la prematura solidificación de la aleación para producir omisión de algunas de las ramas o de las secciones de la pieza vaciada. Las Capas Frías (Cold Laps) son unas de las menos severas manifestaciones de este tipo de defectos producidos cuando el metal deja de fluir libremente sobre la superficie del molde; el modelo de intermitencia en el flujo metálico se retiene durante la solidificación a consecuencia de la pérdida de coalescencia de los flujos de líquido. Las Uniones Frías (Cold shuts) que se producen cuando dos flujos de metal provenientes de diferentes regiones de la pieza convergen sin que se produzca unión de ellos, son las más serias manifestaciones de este tipo de defecto, porque su apariencia sobre la superficie es la de grietas aparentes o surcos de arrugas (wrinkles) donde hay películas de óxidos que completamente se extienden en la pieza. 3.2.-INCLUSIONES Y DEFECTOS DE ARENA Se define el término Inclusiones como las fases no metálicas y algunas fases intermetálicas embebidas en una matriz metálica, constituidas por simples óxidos, sulfuros, nitruros o fases complejas en aleaciones ferrosas e intermetálicos en aleaciones no ferrosas. Las inclusiones en las piezas vaciadas se les considera son perjudiciales al comportamiento del componente. En las piezas vaciadas, las inclusiones no metálicas se pueden agrupar en dos grandes grupos: a.

Inclusiones Endógenas, que son el producto de reacciones dentro del metal líquido lo que quiere decir que son nativas, innatas, o inherentes a los procesos de tratamientos de metal líquido. Ellas son de tamaño pequeño que se encuentran suspendidas durante el tiempo de vaciado y que luego, durante el proceso de solidificación, se precipitan a consecuencia de los cambios en solubilidad que se producen en la intercara líquido-sólido y para su identificación se requiere del uso del microscopio a altas magnificaciones. Incluye a sulfuros, nitruros, y óxidos derivados de las reacciones químicas del metal líquido con el ambiente que lo rodea. Dependiendo de su formación, las inclusiones endógenas pueden ser clasificadas como Primarias y Secundarias. b. Inclusiones Exógenas, se derivan de causas externas y son el resultado del atrapamiento de no metálicos durante el vaciado de las piezas, teniendo una variedad de formas y de composiciones que dependen de su origen y ampliamente varían en tamaño y en el tipo, lo que incluye a escorias, sedimentos, y residuos de fundentes que se han formado y separado en el horno de fusión pero que son acarreados por el flujo de metal; también se incluye en este grupo a productos de otras fuentes como son los refractarios de los hornos y de las cucharas de vaciado, así como los provenientes del molde por efectos de reacciones entre el metal y el molde o por otras causas durante el cerrado de moldes y durante el flujo de llenado. Normalmente se concentran en ciertas regiones de la pieza.

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3.3. DEFECTOS DEBIDOS A GASES Los gases pueden estar en solución en las piezas, ya sea como compuestos químicos o como cavidades, para que éstas últimas constituyan los verdaderos defectos gaseosos. El gas puede ser resultado del atrapamiento de aire durante el vaciado, a partir de su evolución por contacto entre el líquido y el material del molde; también puede ser por precipitación durante la solidificación como resultado de reacciones químicas o debido a cambio en la solubilidad con la temperatura. Adquieren la forma de huecos internos, o sobre la superficie, o como pequeñísimos huecos subsuperficiales, o como cavidades intergranulares; todos ellos dependientes de la causa inmediata. El origen gaseoso se evidencia por los contornos redondeados de su superficie; sin embargo en algunos casos la forma de la cavidad está gobernada por otros factores, como en el caso de cavidades de paredes cóncavas resultantes de las restricciones impuestas por las intercaras líquido-sólido que existen cuando ellas se están formando. Es importante señalar que los gases afectan tanto la distribución de las cavidades de rechupe como la segregación dentro de la pieza vaciada. 3.4.-DEFECTOS DEBIDOS A RECHUPE Este tipo de defectos surge a consecuencia de fallas para compensar la contracción líquida y de solidificación; por lo tanto, su presencia es un síntoma usual de una inadecuada técnica de vaciado y de alimentación a la pieza. La forma del defecto depende de factores de diseño, de las condiciones de enfriamiento, y de los mecanismos de solidificación de la aleación. 3.5.-DEFECTOS DEBIDOS A CONTRACCIÓN EN ESTADO SÓLIDO Durante el enfriamiento posterior a la solidificación, el metal sufre una considerable contracción hasta la temperatura ambiente. Este hecho afecta a todas las dimensiones lineales de la pieza. Es de esperarse que una vez que se ha alcanzado una masa sólida coherente se deben iniciar los cambios dimensionales en la pieza; bajo condiciones reales, en las piezas nunca se produce contracción completamente libre y el metal debe desarrollar una resistencia suficientemente cohesiva para vencer la significativa resistencia que le opone el molde, que le opone la presión hidrostática del líquido residual, y la que oponen las otras partes de la pieza a consecuencia de diferencias en el enfriamiento. Todo esto produce esfuerzos que pueden ser restricciones externas o térmicas. Los efectos producidos por estas restricciones a la libre contracción de la pieza dependen de la severidad de las restricciones en relación a las propiedades mecánicas de las aleaciones vaciadas durante las diferentes etapas del enfriamiento. 4.-MÉTODOS DE DETECCIÓN DE LOS DEFECTOS EN PIEZAS VACIADAS. Los métodos de detección de defectos se pueden clasificar en no-destructivos y destructivos. Dentro de los métodos de detección de defectos, la inspección tiene el propósito dual de asegurarse que el producto esté conforme a los requerimientos de diseño como de proveer la información necesaria para el control de la calidad en la fundición. La inspección como conjunto comprende a aquellas operaciones que permiten chequear la calidad de las piezas que dan como resultado su aceptación o su rechazo; entre estas operaciones se encuentran: (1), Inspección Visual para inspeccionar defectos superficiales; (2), Inspección Dimensional, para garantizar las dimensiones especificadas; y (3), Inspección Metalúrgica, que envuelve a los requerimientos de análisis químico, a los requerimientos físicos, y a otros ensayos que midan la calidad del material de la pieza. La inspección visual es el más simple de los métodos de inspección. La inspección dimensional y su precisión involucran al campo total de la pieza y requiere de los principios de medida aplicados a cualquier elemento de máquinas.