Texto de Fundición 3 Unid rev

ESCUELA POLITECNICA DEL EJÉRCITO DEPARTAMENTO DE CIENCIAS DE LA ENERGÍA Y MECÁNICA CARRERA DE INGENIERÍA MECÁNICA

ING. PATRICIO QUEZADA MORALES DOCENTE FUNDICIÓN

Unidad I

Metalurgia Extractiva

SANGOLQUÍ – SEPTIEMBRE 2009 INTRODUCCIÓN A lo largo de la historia, desde su aparición en la Tierra, el ser humano se ha ayudado de instrumentos para modificar la naturaleza a su favor. En este sentido, la historia del hombre es una historia de la técnica, una historia en la que se ha buscado transformar los elementos disponibles en el medio ambiente de modo que esta transformación hiciera la vida más sencilla. Desde muy tempranos momentos el hombre utilizó los elementos más disponibles a su alrededor: palos, piedras, pieles, huesos, elementos que podían ser trabajados, manipulados, para conseguir de ellos una efectividad, pero elementos que no necesitaban, en última instancia, de ninguna transformación íntima, ninguna modificación de sus propiedades estructurales. No es esto lo que ocurre con los metales. El metal, en su mayor parte, requiere para ser utilizado de una modificación trabajosa y compleja de las características en que lo hallamos en estado natural. La aparición de la metalurgia es un elemento reciente, visto desde la escala general de la historia, pero de tal importancia para el ser humano que no sería posible entender sin él el flujo de la historia ni, por supuesto, las sociedades contemporáneas. Así se ha considerado desde antiguo, hasta el punto de considerar su descubrimiento el hito que marca un antes y un después en las sociedades prehistóricas. En 1836 el danés C. J. Thomsen expone el Sistema de las tres edades para clasificar el material prehistórico, propone que los materiales se dividan según provengan de la Edad de Piedra, de la Edad del Bronce o de la Edad del Hierro. Este sistema fue rápidamente aceptado por los investigadores y supuso un importante avance conceptual. Los artefactos prehistóricos podían ordenarse cronológicamente y, así, se proporcionaba un método eficaz para el estudio del pasado. Hoy día dicha clasificación, con modificaciones que no dejan de ser importantes, sigue vigente. La fundición es una industria, de las más antiguas que se ha conocido, relacionado con el campo donde se realiza trabajo con los metales y su inicio data de los años 4000A.C., donde se utilizaban moldes de piedra y metal para el colado del cobre. Una fundición es la colección de los materiales que son necesarios y que se utilizan para producir un colado a través de un procedimiento con un equipo adecuado. El proceso de producción de la mayoría de las piezas metálicas se puede realizar a través del vertido de un metal fundido sobre un molde hueco, que generalmente se lo realiza en arena. El proceso de colada permite obtener piezas o lingotes, sólidos, a partir del metal líquido el cual lo hemos logrado por procesos extractivos y de afino. El proceso de colada consiste simplemente en llenar un molde con el material fluido, el cual toma la forma del molde al solidificar.

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Unidad I Metalurgia Extractiva El proceso en si, es muy simple: Una vez fundido el metal se vacía en un molde y se deja enfriar, tomando en consideración todos los parámetros se puede lograr una fundición acorde con las necesidades. La Fundición es un arte muy antiguo que todavía se emplea en la actualidad, aunque ha sido sustituido por otros métodos como el fundido a presión, la forja, la extracción, el mecanizado y el laminado. Este documento se lo ha realizado con la finalidad de que el alumno posea una herramienta de consulta para el mejor desarrollo de la asignatura, ya que textos de fundición no se pueden obtener fácilmente, ha sido una recopilación de fragmentos correspondientes a fundición existentes en los textos de manufactura en donde se demuestra un enfoque general sobre él área de la metalurgia extractiva, y de los procesos de fabricación de cualquier tipo de maquinaria o piezas en especial ,mediante un proceso de fundición. Dentro de la misión de la Escuela Politécnica del Ejército es, la de formar Profesionales investigadores de excelencia, creativos, humanistas aplicando y difundiendo los conocimientos e implementando alternativas de solución a los problemas de la colectividad, proporcionándoles los fundamentos de la tecnología de la fundición de piezas, para que desarrollen su capacidad tecnológica y la apliquen en los adecuados diseños, cuando vayan a ejercer sus funciones en la industria de la Fundición. Esperando que con su mejor desempeño, continúen manteniendo el prestigio que poseen los graduados de la Escuela Politécnica del Ejército.

METALURGIA DEFINICIÓN: Ciencia aplicada, cuyo objeto es el estudio de las operaciones industriales tendientes a la preparación, tratamiento (físico y/o químico), producción de metales y sus aleaciones. En términos generales, la técnica metalúrgica comprende las siguientes fases: Obtención del metal a partir de uno de sus minerales (mena)Afino o purificación del metal, preparación de aleaciones, tratamientos mecánicos, térmicos o termoquímicos para su mejor utilización. Desde tiempos muy remotos, el uso de ciertos metales conocidos, como el cobre, hierro, plata, plomo, mercurio, antimonio y estaño, se convirtió en indispensable para la evolución de las distintas civilizaciones. Por ello, la metalurgia es una actividad en la cual el ser humano ha dedicado grandes esfuerzos, desde la antigüedad ya se aplicaban algunas técnicas metalúrgicas, como el moldeo a la cera perdida utilizado por los chinos, egipcios y griegos; la soldadura inventada por Glauco en el siglo VII a. C., y el tratamiento térmico para el temple con acero utilizado por los griegos. No fue hasta la edad media cuando aparecieron otras técnicas metalúrgicas de importancia, y así, durante el siglo XIII aparecieron los primeros altos hornos y la fundición.

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Unidad I Metalurgia Extractiva Los procesos metalúrgicos constan de dos operaciones: la concentración, que consiste en separar el metal o compuesto metálico del material residual que lo acompaña en el mineral, y el refinado, en el que se trata de producir el metal en un estado puro o casi puro, adecuado para su empleo. Tanto para la concentración como para el refinado se emplean tres tipos de procesos: mecánicos, químicos y eléctricos. En la mayoría de los casos se usa una combinación de los tres. Uno de los métodos de concentración mecánica más sencillos es la separación por gravedad. Este sistema se basa en la diferencia de densidad entre los metales nativos y compuestos metálicos y los demás materiales con los que están mezclados en la roca. Cuando se tritura el mineral o el concentrado de mineral y se suspende en agua o en un chorro de aire, las partículas de metal o del compuesto metálico, más pesadas, caen al fondo de la cámara de procesado y el agua o el aire se llevan la ganga (material residual), más ligera. La técnica de los buscadores de oro para separar el metal de las arenas auríferas mediante cribado, por ejemplo, es un proceso de separación por gravedad a pequeña escala. Del mismo modo, la mayor densidad relativa de la magnetita, un mineral de hierro, permite separarla de la ganga con la que se encuentra mezclada. La flotación es hoy el método más importante de concentración mecánica. En su forma más simple, es un proceso de gravedad modificado en el que el mineral metálico finamente triturado se mezcla con un líquido, el metal o compuesto metálico suele flotar, mientras que la ganga se va al fondo. En algunos casos ocurre lo contrario. En la mayoría de los procesos de flotación modernos se emplean aceites u otros agentes tensoactivos para ayudar a flotar al metal o a la ganga. Esto permite que floten en agua sustancias de cierto peso. En uno de los procesos que utilizan este método se mezcla con agua un mineral finamente triturado que contiene sulfuro de cobre, al que se le añaden pequeñas cantidades de aceite, ácido y otros reactivos de flotación. Cuando se insufla aire en esta mezcla se forma una espuma en la superficie, que se mezcla con el sulfuro pero no con la ganga. Esta última se va al fondo, y el sulfuro se recoge de la espuma. El proceso de flotación ha permitido explotar muchos depósitos minerales de baja concentración, e incluso residuos de plantas de procesado que utilizan técnicas menos eficientes. En algunos casos, la llamada flotación diferencial permite concentrar mediante un único proceso diversos compuestos metálicos a partir de un mineral complejo. Los minerales con propiedades magnéticas muy marcadas, como la magnetita, se concentran por medio de electroimanes que atraen el metal pero no la ganga. Los métodos de separación o concentración química son en general los más importantes desde el punto de vista económico. Hoy, esta separación se utiliza con frecuencia como segunda etapa del proceso, después de la concentración mecánica. La fundición proporciona un tonelaje mayor de metal refinado que cualquier otro proceso

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Unidad I Metalurgia Extractiva La amalgamación es un proceso metalúrgico que utiliza mercurio para disolver plata u oro formando una amalgama.

METALURGIA EXTRACTIVA La Metalurgia Extractiva es la rama de la ingeniería que involucra los procesos de beneficio, concentración y extracción de metales y/o compuestos, aplicando las leyes de la mecánica y la termodinámica a las operaciones de reducción de tamaño, separación sólido/sólido y sólido/agua y ataque bien sea en medios acuosos o con alta temperatura Las primeras fundiciones se hicieron durante el período 4000 -3000 A.C utilizando moldes de piedra y metal para el colado del cobre. Con el transcurrir del tiempo se fueron desarrollando varios procesos de colado .cada uno de ellos con sus propias características y aplicaciones, a fin de llenar requerimientos específicos de ingeniería y de servicio. Mediante el colado se manufacturan piezas y componentes incluyendo cámaras, carburadores, motores, cigüeñales, partes automotrices, equipos agrícolas y para ferrocarriles tuberías y acoplamientos de plomería, herramientas eléctricas, cañones de rifle, sartenes y componentes de gran tamaño para turbinas hidráulicas. Actualmente dos tendencias están teniendo un impacto de importancia en la industria de la fundición. La primera es la constante mecanización y automatización del proceso de fundición que ha conducido cambios significativos en el uso del equipo y de la mano de obra. Maquinaria y sistemas de control de proceso automáticos han reemplazado los métodos tradicionales de fundición. La segunda tendencia de importancia es la creciente demanda de piezas fundidas de alta calidad, con tolerancias dimensionales cerradas y sin defectos.

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Metalurgia Extractiva OBTENCIÓN DEL HIERRO

La obtención del hierro se basa en general, en la reducción de los óxidos de hierro, que son los minerales de este metal más abundantes en la naturaleza. Los carbonatos se calcinan y los sulfatos se tuestan previamente para reducirlos a óxidos .Esta reducción y dilución del O2 con el que va combinado el hierro se efectúa por un agente reductor con la colaboración de un agente térmico Conocidos desde los tiempos mas remotos llamándose a una época de la historia como edad del hierro. En un principio se cree que el hierro era proveniente de los meteoritos (hace 50000 años) que penetraban en la atmósfera de la tierra. La fabricación de acero a partir del hierro, es antigua, los griegos 500 AC ya conocían la obtención del hierro y el temple del acero. El hierro era conocido y utilizado para los propósitos ornamentales y para armas en edades prehistóricas; el espécimen más temprano todavía existente es un grupo de cuentas férricas oxidadas encontradas en Egipto, en el año 4000 AC. El termino arqueológico, edad férrica, solo aplicaba propiamente al periodo cuando se uso el hierro extensivamente para los propósitos utilitarios, como para herramientas, así como también para la ornamentación. Todos los productos obtenidos con el hierro y sus aleaciones se denominan productos siderúrgicos. Para la obtención del hierro son necesarios minerales ferrosos y otras materias como fundentes y carbón. Los minerales de hierro más importantes son: magnetita, oligisto, limonita y siderita. Es el elemento esencial para la producción del acero, el cual esta compuesto en un 78% como mínimo de Fe, el hierro posee una gran cantidad de propiedades favorables para la construcción, y por ello después del concreto, es llamado como el esqueleto de las estructuras. En la actualidad la obtención del hierro se efectúa en altos hornos cuyo perfil característico es el de los troncos de cono unidos por sus bases mayores la parte superior se denomina cuba y la parte inferior, atalaje, el producto obtenido es el arrabio o fundición, escorias y gases. Esta materia no es utilizable, y es necesaria una nueva fusión para obtener el hierro dulce y la fundición propiamente dicha. Para la obtención del acero se emplean varios sistemas: Bessemer, siemens y tomas que tienden a volverlo a fundir, eliminando parte del carbono y añadiendo otras sustancias. PROPIEDADES DEL HIERRO El hierro técnicamente puro, esto es con menos de 0,0008 de C tiene las siguientes propiedades: Metal blanco azulado, dúctil y maleable Buen conductor de la electricidad. Peso específico 7.87 Funde de 1536, 5 a 1539 ºC Ing. Patricio Quezada M

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El metal existe en tres formas diferentes: ordinaria o α-hierro; β-hierro; δ-hierro. Las propiedades físicas diferentes de todas las formas alotrópicas y la diferencia en la cantidad de carbono, por cada una de las formas tocan en una parte importante en la formación, endurecido, y templado de acero. Químicamente, el hierro es un metal activo. Combina los halógenos ( fluor, cloro, bromo...), azufre, fósforo, carbono. Este reacciona con algunos ácidos perdiendo sus características, o en algunos casos llega a la corrosión masiva. Generalmente al estar en presencia de aire húmedo, se corroe, formando una capa de oxido rojiza-castaño (oxido férrico escamoso), la cual disminuye su resistencia y además estéticamente es desagradable Principales minerales para obtener hierro •

Óxidos férricos anhidros

-

Hierro oligisto Hematites roja Óxidos férricos Hidratados Hematities parda Óxidos ferrosos Férricos Magnetita Carbonatos Siderita Sulfuros Pirita de hierro Calcopirita

Fe2O3 Fe2O3

70%Fe 70%Fe

Fe2O3. 3H2O 60% Fe3O4

72,4%

CO3Fe 48,3% S2Fe 46.6% S2FeCu

Hierro oligisto se presenta cristalizado en romboedros de color negro brillante. Hematites roja es el mineral de hierro mas abundante, se encuentra en España, Normandía, Argelia, Túnez, Norte América Magnetita (piedra imán) es el mineral más rico de hierro, pero es el más difícil de tratar por las gangas de azufre que lo acompañan. Siderita blanco amarillento, se hallan en España, Francia, Inglaterra, EEUU. PRODUCCIÓN DEL HIERRO El diagrama general de la fusión primaria del hierro integra a la mayoría de las actividades que se desarrollan en el proceso productivo. No se debe olvidar que los diagramas de flujo son una de las herramientas más utilizadas por los ingenieros industriales y que de manera automática los deben utilizar o elaborar.

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El 90% de todos los metales fabricados a escala mundial son de hierro y acero. Los procesos para la obtención de hierro fueron conocidos desde el año 1200 A.C. Existen grandes yacimientos de este mineral en Estados Unidos y en Suecia. En todo el mundo se pueden encontrar grandes cantidades de pirita, pero no es utilizable por su gran contenido de azufre. El arrabio es un hierro de poca calidad, su contenido de carbón no está controlado y la cantidad de azufre rebasa los mínimos permitidos en los hierros comerciales. Sin embargo es el producto de un proceso conocido como la fusión primaria del hierro y del cual todos los hierros y aceros comerciales proceden. A la caliza, el coque y el mineral de hierro se les prepara antes de introducirse al alto horno para que tengan la calidad, el tamaño y la temperatura adecuada, esto se logra por medio del lavado, triturado y cribado de los tres materiales. Máquinas para realizar la trituración de los minerales:

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Metalurgia Extractiva PROCESO DE PRODUCCIÓN

Este se produce generalmente en lingotes, los materiales básicos usados en la fabricación de este son el coque y el agua, el coque se quema como un combustible para calentar el horno a altas temperaturas, para generar la fundición del material férrico para darle fluidez y pureza, apto para el moldeo, para formar un fluido, el cual se introduce en los diferentes moldes con el fin de darle la forma de lingote, la cual es la forma mas conveniente para almacenar y transportar, pero estos sufren un cambio brusco de temperatura al añadirle agua, para darle cierto temple. Para la producción de hierro y acero son necesarios cuatro elementos fundamentales: • Mineral de hierro • Coque • Piedra caliza • Aire Los tres primeros se extraen de minas y son transportados y hay que prepararlos antes de que se introduzcan al sistema en el que se producirá el arrabio. A principio de los años 90, la producción de Estados Unidos anual de materia férrica excedió en 56 millones de toneladas métricas. En el mismo periodo la producción mundial era casi de 920 millones de toneladas métricas. El valor estimado de materia utilizable producido en 1990 en los Estados Unidos estaba mas de $1.7mil millones. ACEROS Son aquellos productos ferrosos cuyo tanto por ciento de carbono esta comprendido entre 0.05% y 1.7%; el acero endurece por el temple y una vez templado, tiene la propiedad de que si se calienta de nuevo y se enfría lentamente, disminuye su dureza. El acero funde entre los 1400 y 1500° C, y se puede moldear con más facilidad que el hierro. La proporción de carbono influye sobre las características del metal. Se distinguen dos grandes familias de acero: los aceros aleados y los no aleados. Existe una aleación cuando los elementos químicos distintos al carbono se adicionan al hierro según una dosificación mínima variable para cada uno de ellos. Por ejemplo el 0.5% para el silicio, el 0.08% para el molibdeno, el 10.5% para el cromo. De esta manera una aleación del 17% de cromo mas 8% níquel constituye un acero inoxidable. Y por eso no hay un acero sino múltiples aceros.

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PROCESO DE PRODUCCIÓN Y OBTENCIÓN El acero se fabrica partiendo de la fundición o hierro colado; éste es muy impuro, pues contiene excesiva cantidad de carbono, silicio, fósforo y azufre, elementos que perjudican considerablemente la resistencia del acero y reducen el campo de sus aplicaciones. La fabricación verdadera del acero se inició hacia 1856, cuando se introdujo en la siderurgia el empleo del convertidor Bessemer, consistente en un recipiente de gran capacidad y de forma de pera, de paredes de hierro y fondo provisto de numerosos orificios, a través de los cuales se hacía llegar una potente corriente de aire, que removía con violencia la masa de hierro colado fundido que llenaba el convertidor. La reacción entre el oxígeno del aire y los componentes de la fundición era violentísima y tal el calor desarrollado dentro del convertidor que la masa de la fundición se mantenía líquida por sí misma. En la reacción indicada se combinaba la mayor parte del carbono, fósforo y azufre con el oxígeno del aire insuflado, pero no se eliminaba el silicio, lo que constituía un grave inconveniente, razón por la cual no podían utilizarse los minerales de hierro ricos. Por otra parte, el primitivo convertidor Bessemer sólo podía utilizarse un reducido número de veces, pues la fundición líquida y la elevada temperatura atacaban las paredes de hierro del aparato. Estos inconvenientes fueron subsanados por el oficinista británico Thomas, quien logró afinar el hierro colado revistiendo las paredes internas del convertidor Bessemer con una mezcla de greda y dolomita pulverizada (carbonato de calcio y magnesio), y al mismo tiempo agregaba a la fundición un poco de cal viva, insuflando aire comprimido caliente por el fondo del aparato. El silicio y gran parte del manganeso contenidos en la fundición se queman con rapidez y el óxido de manganeso que se forma se combina con el silicio; el silicato manganoso funde con dificultad y flota sobre la masa incandescente líquida en forma de escoria, el carbonato arde a su vez y el fósforo se combina con la cal del revestimiento del convertidor y se forma fosfato cálcico básico, el cual flota también en forma de escoria (escories Thomas) sobre la masa líquida, y de la cual se separa con las escorias restantes. Posteriormente mejoraron el procedimiento de afinación del acero Martín, francés, y Siemens, alemán; que introdujeron en la siderurgia los hornos de sus respectivos nombres. En estos hornos, calentaba la fundición o hierro fundido en una atmósfera de gases y se le mezclan chatarra de acero viejo o de hierro dulce. Al alemán Krupp se le debe el método Industrial de obtención de aceros al crisol, que consiste en refundir el acero Martín-Siemens dentro de grandes crisoles fabricados con una mezcla de arcilla, grafito, coque y carbón vegetal en polvo, donde el acero se afina y purifica más aún. Así se obtiene el acero fundido, Ing. Patricio Quezada M

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Unidad I Metalurgia Extractiva empleado en la fabricación de herramientas de corte. Más modernos aún son los aceros eléctricos, obtenidos en hornos eléctricos, en éstos se afina el acero obtenido en los hornos Martín-Siemens, y se le recarbura con carbono puro o aglomerados de limaduras de hierro y carbón vegetal. Las propiedades del acero se modifican con relativa facilidad, calentándolo a temperatura próxima a 1.000 °C y sumergiéndolo con rapidez en agua, aceite o mercurio fríos (temple) se aumenta su elasticidad; si, por el contrario, se le calienta a elevada temperatura y se le deja enfriar lentamente (recocido) se obtiene acero menos elástico pero más tenaz y resistente al choque. El acero es una aleación de hierro y carbono, esto, es, un carburo de hierro, por eso no existe de él un tipo único; sus propiedades (tenacidad, elasticidad, etc.) varían según el contenido de carbono y la clase empleada en su fabricación martensita, perlita, ferrita o hierro puro; también influye en él, el método seguido en su fabricación existen aceros duros, rápidos (resistentes a la lima), etc., el acero es de gran importancia a causa de las múltiples aplicaciones que recibe. Se pueden modificar sus propiedades aleándolo con otros metales; de este modo se obtienen los aceros especiales. Las piezas en bruto se transforman en PRODUCTOS TERMINADOS mediante el laminado, y algunos de ellos se someten a tratamiento térmico. Más de la mitad de las planchas laminadas en caliente son relaminadas en frío y eventualmente reciben un revestimiento de protección anticorrosión.

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Diagrama de la Obtención del Acero:

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Metalurgia Extractiva CLASIFICACIÓN DEL ACERO

Los aceros se clasifican en cinco grupos principales: aceros al carbono, aceros aleados, aceros de baja aleación ultra resistente, aceros inoxidables y aceros de herramientas. ACEROS AL CARBONO: El 90% de los aceros son aceros al carbono. Estos aceros contienen una cantidad diversa de carbono, menos de un 1,65% de manganeso, un 0,6% de silicio y un 0,6% de cobre. Con este tipo de acero se fabrican maquinas, carrocerías de automóvil, estructuras de construcción, pasadores de pelo, etc. ACEROS ALEADOS: Estos aceros están compuestos por una proporción determinada de vanadio, molibdeno y otros elementos; además de cantidades mayores de manganeso, silicio y cobre que los aceros al carbono. Estos aceros se emplean para fabricar engranajes, ejes, cuchillos, etc. ACEROS DE BAJA ALEACIÓN ULTRA RESISTENTES: Es la familia de aceros mas reciente de las cinco. Estos aceros son más baratos que los aceros convencionales debido a que contienen menor cantidad de materiales costosos de aleación. Sin embargo, se les da un tratamiento especial que hace que su resistencia sea mucho mayor que la del acero al carbono. Este material se emplea para la fabricación de vagones porque al ser más resistente, sus paredes son más delgadas, con lo que la capacidad de carga es mayor. Además, al pesar menos, también se pueden cargar con un mayor peso. También se emplea para la fabricación de estructuras de edificios. ACEROS INOXIDABLES: Estos aceros contienen cromo, níquel, y otros elementos de aleación que los mantiene brillantes y resistentes a la oxidación. Algunos aceros inoxidables son muy duros y otros muy resistentes, manteniendo esa resistencia durante mucho tiempo a temperaturas extremas. Debido a su brillo, los arquitectos lo emplean mucho con fines decorativos. También se emplean mucho para tuberías, depósitos de petróleo y productos químicos por su resistencia a la oxidación y para la fabricación de instrumentos quirúrgicos o sustitución de huesos porque resiste a la acción de los fluidos corporales. Además se usa para la fabricación de útiles de cocina, como pucheros, gracias a que no oscurece alimentos y es fácil de limpiar. ACEROS DE HERRAMIENTAS: Estos aceros se emplean para fabricar herramientas y cabezales de corte y modelado de maquinas. Contiene wolframio, molibdeno y otros elementos de aleación que le proporcionan una alta resistencia, dureza y durabilidad.

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PROCESOS Y ACABADOS Existen distintos tipos de acabados para el acero, por lo tanto tiene una salida al mercado de gran variedad de formas y de tamaños, como varillas, tubos, rieles de ferrocarril o perfiles en H o en T. Estas formas se obtienen en las instalaciones siderúrgicas laminando los lingotes calientes o modelándolos de algún otro modo. El acabado del acero mejora también su calidad al refinar su estructura cristalina y aumentar su resistencia. El método principal de trabajar el acero se conoce como laminado en caliente. En este proceso, el lingote colado se calienta al rojo vivo en un horno denominado foso de termodifusión y a continuación se hace pasar entre una serie de rodillos metálicos colocados en pares que lo aplastan hasta darle la forma y tamaño deseados. La distancia entre los rodillos va disminuyendo a medida que se reduce el espesor del acero. El primer par de rodillos por el que pasa el lingote se conoce como tren de desbaste o de eliminación de asperezas. Después del tren de desbaste, el acero pasa a trenes de laminado en bruto y a los trenes de acabado que lo reducen a láminas con la sección transversal correcta. Los rodillos para producir ríeles de ferrocarril o perfiles en H, en T o en L tienen estrías para proporcionar la forma adecuada.

Los procesos de fabricación modernos requieren gran cantidad de chapa de acero delgada. Los trenes o rodillos de laminado continuo producen tiras y láminas con anchuras de hasta 2,5m. Estos laminadores procesan con rapidez la chapa de acero antes de que se enfríe y no puede ser trabajada. Las Ing. Patricio Quezada M

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Unidad I Metalurgia Extractiva planchas de acero caliente de más de 10 cm de espesor se pasan por una serie de cilindros que reducen progresivamente su espesor hasta unos 0,1 cm y aumentan su longitud de 4 a 370 metros. Los trenes de laminado continuo están equipados con una serie de accesorios como rodillos de borde, aparatos de decapado o eliminación y dispositivos para enrollar de modo automático la chapa cuando llega al final del tren. El sistema de colada continua, en cambio, produce una plancha continua de acero con un espesor inferior a 5 cm, lo que elimina la necesidad de trenes de desbaste y laminado en bruto. TUBOS: Los tubos más baratos se forman doblando una tira plana de acero caliente en forma cilíndrica y soldando los bordes para cerrar el tubo.

En los tubos más pequeños, los bordes de la tira suelen superponerse y se pasan entre un par de rodillos curvados según el diámetro externo del tubo. La presión de los rodillos es suficiente para soldar los bordes. Los tubos sin soldaduras se fabrican a partir de barras sólidas haciéndolas pasar entre un par de rodillos inclinados entre los que está situada una barra metálica con punta que perfora las barras y forma el interior del tubo mientras los rodillos forman el exterior.

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Metalurgia Extractiva TRATAMIENTO TÉRMICO DE LOS ACEROS

El proceso básico de endurecimiento de los aceros consiste en calentar el metal hasta una temperatura en la que se forma austenita, que suele ser entre 750 y 850 ºC, y enfriarlo rápidamente sumergiéndolo en agua o aceite. Este tratamiento de endurecimiento forma martensita y crea grandes tensiones internas en el metal. Para eliminar estas tensiones se emplea el recocido o revenido que consiste en recalentar la pieza a una temperatura menor. Con este sistema se reduce la dureza y resistencia pero aumenta la ductilidad y la tenacidad. El objetivo principal del proceso de tratamiento térmico es, el de controlar la cantidad, tamaño, forma y distribución de las partículas de cementita contenidas en una ferrita, determinando así las propiedades físicas del acero. Hay muchas variaciones del proceso básico. Los ingenieros metalúrgicos han descubierto que el cambio de austenita a martensita se produce en la última fase del enfriamiento y que este cambio esta acompañado de un aumento de volumen que en caso de que el enfriamiento sea demasiado rápido hace agrietarse al metal. Para evitar esto, se han desarrollado tres procesos distintos. TEMPLADO PROLONGADO: El acero se retira del baño de enfriamiento cuando alcanza la temperatura en que comienza a formarse la martensita y se enfría lentamente mediante un chorro de aire. El acero se retira del baño de enfriamiento en el mismo momento que en el templado prolongado y se coloca en un baño de temperatura constante hasta que alcanza una temperatura uniforme en su sección transversal. A continuación se enfría lentamente con aire desde los 300 ºC hasta la temperatura ambiente AUSTEMPLADO: El material se enfría hasta la temperatura en la que se forma la martensita y se mantiene a esa temperatura hasta que acaba el proceso. A continuación se enfría a temperatura ambiente. Hay otros métodos de tratamiento térmico para endurecer el acero. CEMENTACIÓN: Las superficies de las piezas de acero terminadas se endurecen al calentarlas con compuestos de carbono o nitrógeno. CARBURIZACIÓN: La pieza se calienta manteniéndola rodeada de carbón vegetal, coque o gases de carbono. CIANURIZACIÓN: Se introduce el metal en un baño de sales de cianuro, logrando así que endurezca. NITRURIZACIÓN: Se emplea para endurecer aceros de composición especial mediante su calentamiento en amoniaco gaseoso. Ing. Patricio Quezada M

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METALES NO FERROSOS Y SUS ALEACIONES

OBTENCIÓN CARACTERÍSTICAS Y APLICACIONES. Metales no ferrosos pesados. Pertenecen a este grupo los metales como el cobre, estaño, plomo, níquel, cinc, cobalto, wolframio y cromo cuyas densidades son mayores de 5 g/cm3. Metales no ferrosos ligeros. Los más importantes son el aluminio y el titanio con densidades comprendidas entre 2 y 5 g/cm3. Metales no ferrosos ultraligeros. Son el magnesio y el berilio.

1. Cobre. Se trata de uno de los metales más antiguos empleados por el ser humano a lo largo de la historia. Los primeros vestigios de su utilización se remontan 5 000 años antes de Cristo. Sin embargo, los procesos de obtención de cobre a escala industrial sólo se producen a partir del siglo XIX. En la naturaleza, el cobre está presente en diversos minerales, como la cuprita, la calcopirita o la malaquita. En ocasiones, se puede hallar en estado casi puro en forma de cobre nativo. Proceso de obtención Según la riqueza de los minerales empleados, se utilizan dos técnicas de obtención de cobre: la vía húmeda y la vía seca. - La vía húmeda se emplea cuando el contenido en cobre es bajo (entre el 3 % y el 10 % de riqueza). Consiste en disolver el material con ácido sulfúrico y recuperar después el cobre mediante electrólisis. - La técnica más habitual de obtención de cobre bruto es la denominada vía seca, aunque sólo puede utilizarse si la riqueza del mineral supera el 10 %. Obtención de cobre por vía seca: El mineral se somete a un proceso de trituración y molienda hasta reducirlo a polvo, después, se procede a la separación por flotación del mineral de cobre, éste sobrenada mientras la ganga se deposita en el fondo. El mineral húmedo es sometido a un proceso de tostación en un horno. En este proceso se elimina el azufre y se forman óxidos de hierro y de cobre. A continuación, el óxido de cobre sufre un proceso de calcinación en un horno de reverbero. Los óxidos de hierro se combinan con la sílice y forman la escoria mientras se produce la mata blanca (sulfuro de cobre). La mata se somete a un proceso de reducción en un convertidor similar a los empleados en siderurgia y se obtiene cobre bruto, mezclado con algo de óxido de cobre. Características y aplicaciones del cobre Ing. Patricio Quezada M

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Unidad I Metalurgia Extractiva El cobre es un metal de color rojizo, relativamente blando, de conductividad eléctrica y térmica muy elevada, dúctil y maleable. Su elevada conductividad eléctrica sólo superada por la plata y su ductilidad lo hacen especialmente indicado para la fabricación de cables eléctricos y bobinados. El aire seco y el agua pura no lo atacan a ninguna temperatura y, por ello, suele utilizarse para la fabricación de tubos y calderas que se emplean en intercambiadores de calor y en las instalaciones domésticas. Sin embargo, es poco resistente a los agentes atmosféricos. El cobre, a la intemperie, se recubre de una capa de carbonato, de color verdoso, denominada cardenillo, que le protege de la oxidación posterior. Es medianamente resistente a la agresión de los ácidos. El ácido clorhídrico no le ataca en ninguna circunstancia. El ácido sulfúrico sólo consigue disolverlo si se trata de una disolución concentrada y caliente. En cambio, el ácido nítrico lo ataca fácilmente. Aleaciones de cobre Por tratarse de un material relativamente blando, se alea con el aluminio (bronce de aluminio), el cinc (latones), el estaño (bronces) y con otros metales para mejorar su dureza y su resistencia a la tracción. Bronce de aluminio Es una aleación formada por un 90 % de cobre y un 10 % de aluminio. Aumenta sensiblemente la dureza del cobre y es mucho más resistente a la corrosión que cualquiera de los metales por separado. Por su resistencia frente a los agresivos químicos, se utiliza en la industria para la fabricación de equipos que están expuestos a líquidos corrosivos. Latones Se denominan así las aleaciones de cobre con cinc y son conocidas desde la Antigüedad. El latón es menos resistente a los agentes atmosféricos que el cobre, pero soporta mejor el agua y el vapor. En la actualidad se emplea mucho para fabricar casquillos de ajuste de piezas mecánicas las aleaciones cobre - cinc están normalizadas y se añaden nuevos metales, como el estaño, el aluminio y el plomo, que mejoran sus propiedades mecánicas. Si se aumenta el porcentaje de cobre, mejora la moldeabilidad de la pieza. Añadiendo a la aleación pequeñas cantidades de estaño y aluminio, se consigue mejorar su resistencia a la corrosión marina. Si se añade algo de plomo, mejora su capacidad de mecanizado. Bronces Se denominan así las aleaciones de cobre con estaño o con cualquier otro metal, excepto el cinc. Los bronces, en general, son aleaciones de elevada resistencia mecánica y buena resistencia a la corrosión, superior a la de los latones. Dependiendo de la presencia de otros metales en la aleación, se distinguen los bronces para forjar y los bronces para fundir. Los bronces para forjar poseen porcentajes muy bajos de otros metales. Tienen gran resistencia a la tracción y al desgaste, y se emplean para fabricar chapas, flejes alambres y engranajes. Los bronces para fundir tienen magníficas cualidades para el deslizamiento. Si se añade plomo a la aleación, ésta adquiere cualidades autolubricantes y se emplea para la fabricación de cojinetes. Existen bronces especiales, como los empleados para fabricar campanas, y Ing. Patricio Quezada M

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Unidad I objetos artísticos.

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2. Aluminio Constituye uno de los principales componentes de la corteza terrestre, de la que forma parte en una proporción del 8,13 %, sólo superada por el silicio, que representa un 28 %. Ambos elementos se presentan habitualmente combinados en forma de silicatos de aluminio, que no sirven como mena de este metal. Por esta razón, el aluminio era desconocido como material de uso industrial hasta el siglo pasado. En 1821 se descubrió en Les – Baux – de Provence (Francia) el único mineral del que es posible extraer aluminio en grandes cantidades: la bauxita Se trata de óxido hidratado de aluminio mezclado con óxido de hierro y otros materiales. Se presenta en masas compactas de diversos colores y puede llegar a contener hasta un 65 % de riqueza. La bauxita, una vez extraída, es sometida a un cuidadoso tratamiento para obtener de ella el aluminio metálico. Proceso de obtención En la actualidad, para la obtención de aluminio se emplea el denominado método Bayer, que consta de dos fases: la obtención de la alúmina y el afino electrolítico. Obtención de la alúmina En primer lugar, se somete la bauxita a un proceso de molienda hasta convertirla en polvo fino. Una vez molida, se mezcla con cal, sosa cáustica y vapor de agua sobrecalentado. De este modo, se produce la disolución del óxido de aluminio en la sosa. Las impurezas del mineral, que permanecen en estado sólido sin disolverse, se eliminan por decantación. Posteriormente, se añade agua a la disolución para provocar la precipitación del óxido de aluminio y separarlo de la sosa en la que estaba disuelto. El producto así obtenido recibe el nombre de alúmina. La alúmina se somete después a un proceso de calcinación a 1 200ºC, para eliminar el exceso de agua. Afino electrolítico La alúmina se funde con criolita (sustancia encargada de protegerla de la oxidación) y se somete a un proceso electrolítico que separa el aluminio del oxígeno. El oxígeno forma monóxido y dióxido de carbono y se desprende, mientras que el aluminio puro va depositándose en estado fundido en el fondo de la cuba, de la que se extrae por medio de una cuchara. Esta fase consume mucha energía. Para obtener una tonelada de aluminio se requieren de 17 000 a 24 000 kWh. Características El aluminio es un metal de color plateado, muy blando, de baja densidad, conductividad eléctrica alta y muy dúctil y maleable. Puede ser laminado tanto en frío como en caliente. Mediante laminación en caliente, pueden obtenerse chapas de diferente grosor, hasta un mínimo de 5 mm. Si se lamina en frío, las planchas llegan a tener hasta 0,005 mm. de espesor (papel de aluminio). Ing. Patricio Quezada M

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Unidad I Metalurgia Extractiva Mediante procesos similares a los empleados con el cobre, se obtienen perfiles de diversos tipos, como tubos, barras e hilos. Presenta una elevada afinidad por el oxígeno, lo que hace que su superficie se oxide rápidamente. Sin embargo, la capa de óxido que se forma del orden de centésimas de micra es totalmente compacta e impide la oxidación posterior del resto de la masa metálica. La resistencia a la corrosión puede ser mejorada mediante una técnica denominada anodizado. Consiste básicamente en hacer actuar el aluminio como ánodo en una cuba electrolítica, con lo que se consigue que éste se recubra de una fina película que lo protege de la corrosión. Su principal inconveniente radica en que resulta difícil de soldar, debido a la capa de óxido. Para conseguir esta forma de unión hay que utilizar una pistola de soldadura eléctrica, provista de un electrodo de volframio que permite inyectar el gas inerte argón para evitar la oxidación durante el proceso. Aplicaciones del aluminio Por tratarse de un material muy blando, para su uso industrial se mezcla con otros metales, como el cobre, el magnesio, el silicio, el níquel y el cobalto, entre otros. Se obtienen así las denominadas aleaciones ligeras, en las que el aluminio puro está presente en proporciones que oscilan entre el 85 y el 99 %. Todas ellas mejoran las cualidades del aluminio en cuanto a dureza, resistencia mecánica y facilidad para el mecanizado con arranque de viruta. La aleación con cobre se conoce con el nombre de duraluminio (95,5 % Al y 4,5 % Cu) y se emplea en la construcción. La aleación de aluminio -magnesio se utiliza para la fabricación de estructuras resistentes en las industrias aeronáutica y naval. También se emplea en la fabricación de automóviles y bicicletas. La aleación de aluminio -silicio permite obtener una fundición inyectable, que se emplea en la construcción de motores. La aleación con níquel y cobalto, se utiliza para fabricar imanes permanentes. Por su baja densidad y su conductividad relativamente alta, el aluminio se emplea como sustituto del cobre en cables de conducción eléctrica de gran longitud. No obstante, para evitar fracturas, estos cables suelen llevar alma de acero. Gracias a la fina capa de óxido que lo protege, resulta especialmente útil en la fabricación de utensilios de cocina.

3. Plomo Como ocurría con el cobre, el plomo es uno de los metales conocidos y empleados por el ser humano desde hace más de 4000 años. Existen vestigios de su utilización en las civilizaciones de Oriente Medio, aunque parece ser que fueron los griegos quienes consiguieron aislar plomo metálico por primera vez hacia el año 550 a. C. Sin embargo, hubo que esperar al siglo XIX para que este metal comenzara a utilizarse a escala industrial. La principal mena de plomo es la galena, compuesta básicamente por sulfuro de plomo, al que acompañan otros metales, como el cobre, la plata o el oro. Es un mineral de color gris metálico, blando, pesado y muy frágil. Proceso de obtención La obtención industrial de plomo consiste básicamente en reducir la galena y separar el plomo de los metales que lo acompañan. El proceso consta de tres fases: tostación, fusión y afino. Ing. Patricio Quezada M

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Unidad I Metalurgia Extractiva En la fase de tostación, la galena se mezcla con sílice, caliza y material fundente, y se calienta en presencia de aire hasta que el sulfuro de plomo se convierte en óxido. En la fase de fusión, se utiliza un alto horno, similar a los empleados en siderurgia. El óxido de plomo se mezcla con coque, caliza y fundente, y se insufla una corriente de aire. El carbón reduce el óxido de plomo y forma plomo metálico impurificado con otros metales los demás componentes funden con la caliza y forman la escoria. En la fase de afino, se procede a la separación de los metales que acompañan al plomo, mediante diferentes tratamientos, se eliminan sucesivamente el cobre, el arsénico, el antimonio, el estaño, la plata y el cinc, algunos de ellos pueden ser recuperados por tratamientos posteriores. Mediante este procedimiento se obtiene plomo bruto, todavía parcialmente impurificado. Si se desea obtener plomo electrolítico, hay que someterlo a un proceso similar al del cobre. En este caso, el ánodo está formado por planchas de plomo bruto y el cátodo por láminas de plomo puro. La corriente eléctrica provoca la emigración del plomo desde el ánodo hasta el cátodo. De los barros electrolíticos que se depositan en el fondo se pueden recuperar la plata y el oro. Características El plomo es un metal de color gris plateado, muy blando, de densidad elevada, baja conductividad eléctrica y térmica, flexible y maleable, puede ser laminado en frío, pero no estirado en hilos, ya que es muy poco dúctil y no resiste la tracción. Presenta afinidad por el oxígeno, lo que hace que su superficie de corte, inicialmente brillante, se oxide en contacto con el aire y pierda el brillo. Como en otros casos, la capa de óxido impide que el proceso se propague al interior de la masa metálica. Es particularmente resistente a la corrosión provocada por los ácidos fuertes, como el clorhídrico, el sulfúrico o el nítrico. Por el contrario, es atacado por la mayoría de los ácidos orgánicos débiles, como el ácido acético. En estado puro, se trata de un material extraordinariamente blando. Puede rayarse con la uña y absorbe muy bien las vibraciones, Por este motivo, no suena cuando se le golpea. Aplicaciones del plomo Su elevada densidad lo hace opaco a las radiaciones electromagnéticas, por lo que se utiliza como escudo protector en instalaciones médicas de radiología y en centrales nucleares. Tradicionalmente se ha empleado para fabricar tuberías, pero, en la actualidad, ha sido reemplazado con ventaja por otros materiales. Por su particular comportamiento frente a los ácidos, se utiliza para fabricar recipientes que hayan de contenerlos, como las baterías y los acumuladores eléctricos. En cambio, nunca debe emplearse como envase de productos alimenticios. Se usa como aditivo en la industria del vidrio, al que confiere mayor peso y dureza. Esta característica le hace especialmente útil en la industria de producción de lentes. Las aleaciones de estaño y plomo se utilizan como material de aportación en la denominada soldadura blanda. Si se le añade algo de antimonio, se le confiere mayor dureza. Ing. Patricio Quezada M

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Unidad I Metalurgia Extractiva El plomo constituye un peligroso veneno mineral, ya que el organismo humano es incapaz de eliminarlo la intoxicación por plomo y sus derivados se denominan saturnismo y produce intensos dolores intestinales, cefaleas, alucinaciones e hipertensión arterial. Esta enfermedad puede contraerse de diversos modos: por vía respiratoria, si se inhalan vapores procedentes de los procesos industriales o de la combustión de sustancias que contienen plomo; por vía digestiva, al ingerir sustancias que contienen sales de plomo disueltas; o por vía cutánea, si una herida entra en contacto con sustancias que contienen plomo. Actualmente, el saturnismo está prácticamente erradicado, gracias a las medidas de seguridad e higiene que se han ido implantando progresivamente. Buena muestra de ello es el proceso actual de sustitución de las gasolinas tradicionales por gasolinas sin plomo o la prohibición absoluta de utilizar envases de plomo en productos alimenticios.

4. Estaño Aunque es conocido desde la antigüedad, durante mucho tiempo se le consideró como una variante del plomo. Se extrae básicamente de un mineral denominado casiterita, que contiene óxido de estaño. Sin embargo, su riqueza en estaño es tan baja que a menudo es necesario tratar hasta una tonelada de mineral para conseguir 200 g de metal puro. Proceso de obtención Dada su baja riqueza en estaño, es necesario concentrar previamente el mineral. Para ello, se tritura y se lava con el fin de separar la ganga, luego se somete a un proceso de tostación para eliminar los sulfuros que pueda contener. Finalmente, el óxido de estaño se reduce en un horno de reverbero, utilizando antracita. El estaño fundido se recoge en el fondo del horno y se moldea en bloques. El proceso de afino se lleva a cabo en una cuba electrolítica. En este caso, el ánodo está formado por planchas de estaño bruto y el cátodo, por láminas de estaño puro. Características El estaño es un metal de color blanco brillante, muy blando, de estructura cristalina, poco dúctil pero muy maleable. Su estructura cristalina se pone de manifiesto al doblar una barra de estaño, se escucha un ruido característico, denominado grito del estaño, producido por el rozamiento de los cristales entre sí. Puede ser laminado en finas planchas, que forman el papel de estaño. Es muy estable y resistente a los agentes atmosféricos a temperatura ambiente, aunque puede ser atacado con ácidos y productos alcalinos. Aplicaciones del estaño El papel de estaño fue utilizado antes de la Segunda Guerra Mundial como embalaje de alimentos. En la actualidad ha sido sustituido con ventaja por el papel de aluminio, por su menor costo económico. Por su resistencia a la oxidación, casi la mitad de la producción mundial de estaño se emplea como recubrimiento electrolítico de otros metales, por ejemplo, el acero. De este modo se obtiene la hojalata. Como ya se ha indicado, constituye un elemento imprescindible en multitud de aleaciones: Ing. Patricio Quezada M

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Unidad I Metalurgia Extractiva • Los diversos tipos de bronces, en los que participa en proporciones inferiores al 25 %. • El denominado metal blanco (aleación de cobre, estaño y plomo), empleado en la fabricación de cojinetes. • Las aleaciones fusibles, utilizadas para construir componentes eléctricos de control, y la soldadura blanda, formada a base de estaño y plomo.

5. Cinc El zinc es un metal, a veces clasificado como metal de transición aunque estrictamente no lo sea, que presenta cierto parecido con el magnesio y el berilio y los elementos de su grupo. Este elemento es poco abundante en la corteza terrestre pero se obtiene con facilidad. Es un elemento químico esencial. Es un metal de color blanco azulado que arde en aire con llama verde azulada. El aire seco no le ataca pero en presencia de humedad se forma una capa superficial de óxido o carbonato básico que aísla al metal y lo protege de la corrosión. Prácticamente el único estado de oxidación que presenta es el +2. En el año 2004 se publicó en la revista Science el primer y único compuesto conocido de zinc en estado de oxidación +1, basado en un complejo organometálico con el ligando pentametilciclopentadieno. Reacciona con ácidos no oxidantes pasando al estado de oxidación +2 y liberando hidrógeno y puede disolverse en bases y ácido acético El metal presenta una gran resistencia a la deformación plástica en frío que disminuye en caliente, lo que obliga a laminarlo por encima de los 100°C. No se puede endurecer por acritud y presenta el fenómeno de fluencia a temperatura ambiente al contrario que la mayoría de los metales y aleaciones y pequeñas cargas provocan deformaciones no permanentes. Parece ser que los primeros en obtener este metal en estado puro fueron los persas, hacia el siglo V a C., pero la palabra cinc fue utilizada por primera vez por Paracelso a mediados del siglo XVI para designar un material que venía de Oriente. Sin embargo, hasta 1758 no se desarrolló un proceso industrial de obtención de cinc a partir de los minerales en los que se encuentra. Su mena principal es la blonda, que es una mezcla de sulfuros de cinc y plomo, con un porcentaje de riqueza superior al 50 %. Otros minerales de cinc son la calamina smitinsonita, que es carbonato de cinc, y la calamina willemita, que es silicato hidratado de cinc. En ellos, la proporción de cinc no supera el 50 %. Proceso de obtención La metalurgia del cinc está frecuentemente asociada a la del plomo en la denominada vía seca. En este proceso se somete el mineral a una fase de tostación para obtener óxido de cinc y, después, se reduce el óxido en un horno de retorta con ayuda de carbón. El metal obtenido puede afinarse posteriormente por procedimientos electrolíticos. La vía húmeda, más reciente, consiste en tratar el mineral triturado con una disolución de ácido sulfúrico. El cinc se disuelve en forma de sulfato de cinc y las impurezas precipitan. La disolución se trata más tarde por métodos electrolíticos para recuperar el cinc. Características Ing. Patricio Quezada M

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Unidad I Metalurgia Extractiva El cinc es un metal de color gris azulado, brillante, frágil en frío y relativamente blando. Es inalterable al aire seco, pero el aire húmedo lo oxida y hace que pierda su brillo. La capa de óxido que lo empaña lo protege de una oxidación más profunda. No resiste la acción de los ácidos ni de los agentes alcalinos Aplicaciones del cinc Debido a su resistencia, se ha utilizado tradicionalmente en forma de planchas para cubiertas, cañerías y canalones. Forma parte de algunas aleaciones importantes, como los latones, los bronces y la alpaca (aleación de cobre, níquel, cinc y estaño). Su principal aplicación es el recubrimiento de piezas de hierro y acero mediante los procesos de galvanizado. - Mediante el galvanizado electrolítico se consigue recubrir las piezas con una delgada capa de cinc, de 10 o 12 p, que las protege de la corrosión. Resulta costoso por su gran consumo energético. - El galvanizado en caliente consiste en sumergir las piezas que se desea recubrir en un baño de cinc fundido durante un corto período de tiempo. Con ello se consigue una capa de recubrimiento de 50 a 60 p, con un coste energético unitario mucho menor. Este procedimiento se emplea actualmente para proteger las estructuras que han de quedar a la intemperie, como farolas semáforos, torres de alta tensión, verjas y vallas protectoras de las carreteras.

6. Níquel Aunque en la antigüedad ya se acuñaban monedas con aleaciones de cobre y níquel, este metal fue descubierto y aislado en 1751 por el químico sueco Axe F. Cronstecit. Su aprovechamiento industrial, como el de la mayoría de los metales, data de finales del siglo XIX. Los principales minerales de los que se obtiene el níquel son la niquelita, que es una mezcla de sulfuros de hierro, níquel y cobre, y la ganierita, un silicato hidratado de níquel y magnesio. Su riqueza en metal nunca sobrepasa el 6 %. Proceso de obtención Para obtener níquel metálico se sigue un proceso similar al del cobre: primero, se tritura y muele el mineral y se separan los sulfuros por flotación, después, se tuesta la mezcla hasta obtener la mata de óxido de níquel; posteriormente, se reduce éste con carbono y, finalmente, se afina el metal por métodos electrolíticos, utilizando ánodos de níquel impuro y cátodos formados por láminas de níquel puro. Características El níquel es un metal de color blanco brillante, medianamente duro, tenaz, dúctil y maleable. Junto con el hierro y el cobalto, forma el grupo de materiales ferromagnéticos. Es muy resistente a la corrosión, tanto de los agentes atmosféricos, como de los ácidos y las sustancias alcalinas Aplicaciones del níquel Debido a su gran resistencia a la corrosión, se emplea en la industria alimenticia y en la química para el revestimiento electrolítico de chapas de acero dulce. Este método se denomina niquelado. Rara vez se utiliza en estado puro. Es más frecuente encontrarlo formando aleaciones con el cobre, el hierro, el cromo, el volframio y el manganeso, a las Ing. Patricio Quezada M

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Unidad I Metalurgia Extractiva que confiere un carácter inoxidable. Las aleaciones que contienen níquel se clasifican según el porcentaje de este metal, entre las de alto porcentaje en níquel, en las que éste llega a alcanzar hasta el 80 %, destacan la aleación con hierro, al que confiere gran resistencia a la corrosión y mejora sus propiedades magnéticas; el nicrom, utilizado para fabricar resistencias eléctricas por su alta resistividad; y el invar empleado en relojería por su coeficiente de dilatación prácticamente nulo. En las aleaciones de bajo contenido en níquel, su porcentaje no supera el 15 %. Suele alearse con hierro y acero por las características mecánicas de éstos y por facilitar los tratamientos de templado. Los materiales que se obtienen resultan muy resistentes a la acción de los agentes atmosféricos y de los agresivos químicos, por lo que suelen emplearse para fabricar utensilios de cocina, material quirúrgico y de laboratorio, y acumuladores de energía eléctrica.

7. Cromo Fue descubierto en 1797 por el químico francés Louis N. Vauquelin (1763-1829) tras analizar un mineral encontrado en Siberia. Su nombre deriva del griego chroma (color) por formar compuestos de vivos colores. La principal fuente de cromo es un mineral denominado cromita que es un compuesto de hierro y cromo, cuya riqueza es tan sólo de 100 ppm (partes por millón). Proceso de obtención Para extraer el cromo, se utiliza el método Goldschmidt, que consiste en reducir la cromita por tostación empleando aluminio en polvo. De este modo se consigue un material parcialmente impurificado con hierro, denominado ferrocromo. Si se desea obtener el metal en estado muy puro, se le somete a un proceso de afino electrolítico, partiendo de una disolución de ácido crómico y empleando un ánodo de plomo. Características El cromo es un metal de color blanco brillante, muy duro, frágil y de estructura cristalina. Es muy resistente a la oxidación y la corrosión, y soporta bien las altas temperaturas conservando su aspecto brillante. Aplicaciones del cromo Por su gran resistencia a la corrosión debida a los agentes atmosféricos y a otros agentes químicos, se emplea frecuentemente para recubrimiento electrolítico de otros metales, técnica que recibe el nombre de cromado. Sin embargo, esta capa resulta muy porosa y quebradiza, dado el carácter frágil del cromo. Por ello, el metal debe recubrirse primero de una capa de cobre o níquel y, posteriormente, se deposita la de cromo. El acero al cromo es una aleación de extraordinaria utilidad industrial, ya que se emplea en la fabricación de cigüeñales y rodamientos por su gran dureza, tenacidad y resistencia a la tracción. También se utiliza en blindajes y maquinaria de corte. Constituye, junto con el níquel, otro de los aleantes básicos de los denominados aceros inoxidables y de los empleados en la fabricación de resistencias eléctricas. Sus compuestos se utilizan en la obtención de pigmentos colorantes. El cromo en estado puro no es tóxico, pero sí sus compuestos, los cromatos, Ing. Patricio Quezada M

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Unidad I Metalurgia Extractiva que se absorben por vía cutánea y vía respiratoria, producen trastornos digestivos, úlceras e irritaciones de la piel muy dolorosas. La intoxicación por derivados del cromo se considera una enfermedad profesional.

8. Volframio En 1781, el químico de origen alemán Carl W. Scheele indicó que en el mineral denominado tungstene (piedra pesada, en alemán) existía una sustancia hasta entonces desconocida, a la que se le denominó tungsteno. El metal fue aislado por primera vez en 1783 por los españoles J José y Fausto Elhuyar a partir de la wolframita. Se le llamó entoric volframio y ambos nombres han persistido hasta la actualidad. El mineral básico del que se extrae el volframio es precisamente la wolframita, sustancia que además contiene hierro y manganeso y de la, que España es el principal productor europeo. Proceso de obtención Para extraer el elemento de su mina, se funde ésta con carbonato de sodio obteniéndose volframato de sodio, Na2WO4. El volframato de sodio soluble se extrae después con agua caliente y se trata con ácido clorhídrico para conseguir ácido volfrámico, H2WO4. Este último compuesto, una vez lavado y secado, forma el óxido WO3, que se reduce con hidrógeno en un horno eléctrico. El fino polvo obtenido se recalienta en moldes en una atmósfera de hidrógeno, y se prensa en forma de barras que se enrollan y martillean a alta temperatura para hacerlas compactas y dúctiles.De este modo se obtiene polvo de volframio, que, después, se recalienta para sinterizarlo, compactarlo, forjarlo y laminarlo. Características El wolframio es un metal de color gris acerado, muy duro y pesado y de buena conductividad eléctrica. Por su dureza, resulta difícil de mecanizar. Aunque es muy dúctil, para obtener hilos de este metal se necesita emplear hileras de diamante. Resiste la acción de los ácidos y los álcalis, aunque es atacado por el cloro. Tiene el punto de fusión más alto de todos los metales. Aplicaciones del wolframio Por su elevada ductilidad puede estirarse en hilos de hasta 0,01 mm. De diámetro, su buena conductividad eléctrica y su elevado punto de fusión, resulta especialmente apropiado para fabricar filamentos de lámparas de incandescencia y para resistencias de hornos eléctricos. Asociado con el carbono, forma carburo de wolframio, de extraordinaria dureza. Esta sustancia se emplea en la fabricación de herramientas de corte y de matrices para trabajos en caliente, con los nombres de widia y estelita respectivamente. Junto al cromo, el níquel y el cobalto, se emplea como aleante para obtener aceros imantados. En materiales aglomerados, se asocia al titanio y al tántalo para fabricar herramientas de corte rápido. Sin embargo, debido a la dureza del material, estas herramientas resultan frágiles y deben emplearse en máquinas con bajas vibraciones.

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9. Mercurio Dada su característica de metal líquido a temperatura ambiente, es conocido y utilizado desde tiempo inmemorial. El primero en obtenerlo en estado puro fue Teofrasto de Ereso, en el 320 a. C. los griegos lo denominaron hidro argiros es decir, plata líquida, de donde deriva su nombre latino hidrargirum. Los alquimistas de la Edad Media no lo consideraban un metal sino la esencia de todos los metales. Su principal mena es el cinabrio, mineral de coloración rojiza característica constituido por sulfuro de mercurio. En el seno de las grandes masas de mineral puede encontrarse a veces mercurio nativo en estado líquido. Los yacimientos más ricos del mundo se encuentran en Almadén (Ciudad Real), aunque el principal país productor de mercurio es Italia. Proceso de obtención El tratamiento del mineral para la obtención del mercurio líquido es io se somete a un proceso de tostación en presencia de aire. El mercurio se volatiliza y sus vapores son conducidos a dispositivos de condensación herméticamente cerrados donde el mercurio se condensa y se recoge en estado líquido. Características El mercurio es un líquido de color plateado y brillante, de densidad muy elevada, buen conductor de la electricidad y con un elevado coeficiente de dilatación térmica. Es capaz de disolver casi todos los demás metales, excepto el hierro, el níquel, el molibdeno y el tungsteno. Con éstos, no forma disolución, sino amalgamas amasables a temperatura ambiente que se endurecen con el tiempo. Aplicaciones del mercurio Se emplea para fabricar termómetros y barómetros, ya que su dilatación es uniforme a cualquier temperatura. Las amalgamas de mercurio con otros metales se utilizan en odontología como empaste de dientes. Modernamente se emplea en electricidad para fabricar lámparas fluorescentes a base de vapor de mercurio y pilas de botón de elevado rendimiento y tamaño reducido. Como ocurre con el plomo, el mercurio es muy venenoso, ya que el organismo es incapaz de eliminarlo. Por su bajo punto de ebullición, puede producir vapores extraordinariamente peligrosos, pues la principal vía de intoxicación es la respiratoria y se manifiesta con ulceraciones de las encías, ennegrecimiento de los dientes, vómitos, diarreas, temblores, etc.

10. Titanio Fue descubierto en 1791 por el británico William Gregory aunque fue el austríaco Martin Klaproth el que, tres años más tarde, le dio el nombre de titanio (del latín titan que significa 'hijo de la Tierra'). Se encuentra en casi todas las rocas de origen volcánico que contienen hierro. Su mineral más común es el rutilo que es dióxido de titanio criolizado. También se obtiene de la limenita, un compuesto de titanio y hierro. Proceso de obtención Industrial del titanio Ing. Patricio Quezada M

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Unidad I Metalurgia Extractiva El procedimiento más utilizado en la industria consiste en la cloruración o transformación del óxido en tetracloruro de titanio, TiCl, a temperatura elevada. Una vez condensado y purificado, este compuesto es reducido en atmósfera inerte en un reactor y se obtiene la denominada esponja de titanio. Posteriormente, la esponja se funde en un horno eléctrico y se obtienen los lingotes de metal. Características El titanio es un metal de color blanco plateado, brillante, ligero, muy duro y de gran resistencia mecánica. Se oxida parcialmente y es atacado por los ácidos fuertes, pero soporta muy bien la corrosión de los agentes atmosféricos. Aplicaciones del titánico Por su densidad relativamente baja y su resistencia mecánica, se utiliza para la construcción del fuselaje de aviones, cohetes y lanzaderas espaciales, ya que sus aleaciones resultan más duras que las del aluminio, a igualdad de peso. Está también presente en las aleaciones de algunos aceros ordinarios y de los inoxidables. Sus aleaciones resultan particularmente duras y resistentes. El carburo de titanio, especialmente refractario, se utiliza en la fabricación de aletas de turbinas, en la industria aeroespacial y en herramientas de corte. Mezclado con carburo de volframio y añadiendo algo de cobalto y níquel, se emplea en la fabricación de hileras de extrusión y muelas de afilado.

11. Magnesio Aunque sus compuestos están muy difundidos por la naturaleza, no se encuentra en estado libre y por ello era desconocido hasta el siglo XVIII En 1808, el químico británico Humphry Davy aisló el metal impuro, al que denominó magnesium. Sus compuestos más comunes son silicatos de magnesio, como el talco, el asbesto. El cloruro de magnesio se encuentra disuelto en el agua de mar. Proceso de obtención Se puede obtener por dos procedimientos: por tratamiento térmico y por electrólisis. El tratamiento térmico se aplica a los silicatos y carbonatos de magnesio. Consiste en someterlos a elevadas temperaturas en un horno eléctrico junto con agentes reductores del oxígeno. De este modo se libera el magnesio metálico. La electrólisis se aplica al cloruro de magnesio fundido. Éste se coloca en una cuba que hace de cátodo y en la que se introduce una barra de carbón que hace de ánodo. El magnesio liberado en estado de fusión, como es menos denso que el cloruro, queda flotando sobre éste, se retira por medio de una cuchara y se vierte en moldes Características El magnesio es un metal de color blanco brillante, muy ligero, blando, maleable y poco dúctil. Es inalterable en aire seco, pero la humedad provoca la aparición de una capa de carbonato muy porosa que no protege al metal, de modo que, con el tiempo, llega a corroerse por completo. Tiene gran afinidad por el oxígeno, con el que reacciona de manera muy rápida cuando está finalmente pulverizado. Aplicaciones del magnesio Ing. Patricio Quezada M

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Unidad I Metalurgia Extractiva Su combustión casi explosiva determinó su utilización como flash de las antiguas cámaras fotográficas. En la actualidad, esta propiedad se emplea en lámparas relámpago y en pirotecnia. Se utiliza como agente reductor para obtener otros metales, como el titanio, el circonio el tántalo y el uranio, a partir de sus cloruros. Por su densidad extraordinariamente baja, forma aleaciones ultraligeras (de densidad inferior a 2 000 kg/m3) con otros metales, como el manganeso, el cinc y el aluminio. Éstas se emplean en la industria aeronáutica y en la fabricación de bicicletas, automóviles y motocicletas de competición. Según su composición, las aleaciones ultraligeras se clasifican en aleaciones para fundición y aleaciones para forja. Entre estas últimas destacan la aleación magnam (1 % a 2 % de manganeso), la magzin (2 % a 3 % de cinc) y la magal (7 % a 9 % de aluminio). MODELOS PARA FUNDICIÓN Los modelos son herramientas principales mediante las cuales los fundidores hacen las piezas coladas. Aun cuando se desee hacer una sola pieza, será necesario contar con un modelo al cual en la generalidad de las veces será útil para fabricar una mayor cantidad de piezas. El contar con un modelo apropiado se convierte en la primera etapa de la elaboración de piezas coladas. Puede definirse un modelo como una replica de la pieza que se desea obtener. Al diseñador hay que hacerle conocer la disminución de las dimensiones ocasionadas por la contracción de la pieza al enfriarse, la rugosidad de las superficies por la calidad de la arena y los alojamientos para los machos. Los pesos de los modelos pueden variar entre unos granos y 50 ó 60 ton. De ahí que los tamaños de los modelos son muy variados.

MATERIALES PARA LA CONSTRUCCIÓN DE MODELOS

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Unidad I Metalurgia Extractiva El número de piezas a realizarse con un modelo determinará el criterio de selección del material del mismo, que puede ser madera, metal, poli estileno, plástico, resina epóxica, cera o bien mercurio congelado. Sin duda que la vida útil del modelo y su precisión son factores que influyen también para la selección del material. Para moldear 10 veces o más, con un mismo modelo conviene hacerlo metálico (de aluminio o aleaciones de aluminio) que resisten mas el desgaste. Puede fabricarse también de bronce o de hierro gris ya que a veces el desgaste es excesivo cuando se tienen que calentar, como en el caso del modelo en cáscara. Maderas: Se tienen dos tipos de maderas:  Duras: Maple, Encino y Ébano 

Blandas: Pino blanco, cedro, caoba y abeto.

La utilización de cada uno de estos tipos de maderas esta en función de la cantidad de piezas que se fabricarán con el modelo. Las maderas duras tienen una magnífica resistencia a la abrasión, sin embargo como inconvenientes se tienen su fragilidad y la dificultad para ser trabajadas. Toda madera que se emplee para la fabricación de modelos, deberá estar perfectamente sazonada o estofada y almacenarse para impedir la reabsorción de agua. Es extremadamente importante mantener la humedad en la madera, es un valor bajo y constante para impedir el alabeo, el hinchamiento y las costosas reparaciones que tengan que hacerse a los modelos, durante su uso y aún antes, en lo que toca a corrección dimensional. Los modelos sueltos son generalmente de construcción de madera. Las placas modelo se construyen en ocasiones de modelos de madera, montados en una placa metálica o en otras completamente de madera, aun cuando lo más recomendable es hacerlas completamente de metal. Los modelos maestros si son hechos generalmente de madera. Metales utilizados para modelos. Los metales más usuales en la fabricación de modelos son: Hierro colado, bronce, aluminio y magnesio; en ocasiones se utilizan también aleaciones plomo-bismuto. Considerándose el sistema de moldeo en verde, a máquina y dependiendo del tipo de aleación en el metal, se tienen las siguientes cantidades prácticas del número de moldes que pueden hacerse a partir de modelos de diferentes metales, sin que estos sufran deformaciones que excedan del 0.010 pulg.  Hierro colado 90,000 a 140,000 moldes  Bronce 70,000 a 120,000 moldes  Aluminio 40,000 a 110,000 moldes  Magnesio 50,000 a 70,000 moldes  Compuestos más de 110,000 moldes Considerando las cifras antes mencionadas, se recomienda la utilización del hierro colado por su resistencia a la abrasión, a la deformación y alojamiento. En lo que respecta al aluminio, existe una variedad grande de aleaciones de Ing. Patricio Quezada M

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Unidad I Metalurgia Extractiva este metal que puedan utilizarse para fabricar modelos que son el duraluminio, alto silicio, etc. Plásticos Los más usuales en la fabricación de modelos son las resinas epóxicas y la resina poliéster reforzada con fibra de vidrio. Otros son los plásticos acrílicos, el polietileno, el estireno, el acetato. La resistencia a los agentes químicos, su moldeabilidad y propiedades a la abrasión hacen de la fibra de vidrio y de las resinas epóxicas un material muy adecuado para la fabricación de modelos. Algunos modelos hechos con esta resinas resisten hasta 40,000 moldeadas sin presentar alteraciones dimensiónales. Otros Se tienen materiales como la cera, el yeso, el concreto refractario, el barro y el más moderno la espuma plástica. El uso de cada uno de estos materiales es bastante específicos y depende del tipo, tamaño y de la cantidad de piezas por hacerse.

TIPOS DE MODELOS Existen varios tipos de modelos los cuales se utilizan, dependiendo de los requerimientos en cuanto al tipo, tamaño y peso de la pieza a fabricar, el volumen de producción, la fundición y las facilidades de fabricación:  Modelos sueltos.  Modelos sueltos con sistema de colada incorporada.  Modelos placa modelo.  Modelos especiales  Modelo con caja de corazones.

MODELOS SUELTOS Pueden considerarse a este tipo de modelos con acoplamiento simple de las piezas a fabricarse en las cuales se han incorporado las tolerancias y las plantillas de los corazones. Cuando se utilizan este tipo de modelos la línea de partición del molde debe hacerse a mano. El sistema de coladas y alimentación también se hace a mano y finalmente la separación de modelo y molde se efectúa también manualmente teniendo necesidad de aflojar previamente el modelo para poder separarlo del molde, consecuentemente en ese momento se tiene una variación dimensional. Aún cuando la utilización de este tipo de modelo es cosa común en nuestro medio, en la mayoría de los casos podría eliminarse su utilización, ya que la producción de moldes que se obtiene es baja y costosa.

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Metalurgia Extractiva

MODELOS SUELTOS CON SISTEMA DE COLADA INCORPORADO. Son una mejora de los modelos simples, ya que siendo el sistema de colada parte del modelo, elimina la necesidad del trabajo a mano para hacer dicho sistema. Con este tipo de modelos se obtiene una más rápida elaboración de moldes para pequeñas cantidades de piezas. CONSIDERACIONES SOBRE LOS TIPOS DE MODELOS 1 Y 2.  En piezas coladas de forma sencilla tales como bloques rectangulares, cilíndricos para bujes, etc., es posible tener modelos con una superficie plana en la parte superior y por lo tanto con una línea recta de partición en la junta entre las partes superior e inferior del molde.  Las peculiaridad de diseño de algunas piezas hacen imposible tener una superficie de partición plana y así los modelos que se utilizan para hacer los moldes requieren la utilización de tarimas o camas especiales de madera, aluminio o de arena.  Cuando se requiere hacer una cantidad considerable de piezas con modelos de línea de partición irregular, es ventajoso tener el modelo hecho en dos partes, partiendo en una superficie plana para facilitar el moldeo. La parte superior y la inferior se unen exactamente con pernos ya sea de madera o de metal. Un modelo del tipo mencionado, requiere más tiempo y más dinero para su fabricación, pero el costo adicional se justifica por el ahorro obtenido en el tiempo de elaboración de los modelos. MODELOS PLACA MODELO La producción de cantidades grandes de piezas pequeñas, requiere el uso de este tipo de modelos. En estos la parte superior y la parte inferior del modelo están montadas en los lados opuestos de una placa de metal o de madera que siguen la línea de partición. Las placas modelo también se hacen de una sola pieza, caso en el cual tanto la placa como los modelos se hacen colados en moldes de arena o de yeso, en este caso se llaman placas modelo integrales. El sistema de colada generalmente va incorporado en la misma placa. Placa modelo generalmente se utilizan en máquinas de moldeo para obtener máxima Ing. Patricio Quezada M

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Unidad I Metalurgia Extractiva velocidad de fabricación aún cuando en ocasiones son susceptibles de ser utilizados en bancos de moldeo con pizonetas manuales. El costo de fabricación de estas placas modelo se justifica por el aumento en la producción y la obtención de mayor exactitud dimensionalmente en las piezas coladas. Una importante limitación en la utilización de este sistema es el peso del molde que puede ser manejado por el moldeador, que oscila entre 40 a 50 kg.

PLACAS SUPERIOR E INFERIOR Consisten en modelos de la parte superior e inferior de la pieza montados en diferentes piezas. Así las mitades inferior y superior de los moldes pueden ser elaboradas al mismo tiempo por diferentes trabajadores y/o en diferentes máquinas. El moldeo de piezas coladas medianas o grandes con la utilización de máquinas de moldeo se facilita bastante con este tipo de equipo de modelos. La fabricación de placas modelo separadas superior e inferior es la más costosa, pero usualmente se justifica por el aumento considerable de producción y la facilidad de fabricación de piezas grandes que no pueden manejarse con el equipo de placas modelo.

La fabricación de moldes mediante el uso de placas separadas requiere un alineamiento exacto de las dos mitades por medio de guías, bujes y pernos de localización para asegurarse de obtenerse piezas no variadas. MODELOS ESPECIALES

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Unidad I Metalurgia Extractiva Cuando los tipos de modelos mencionados anteriormente, no son aplicables existe la necesidad de recurrir a modelos especiales. a) Para piezas muy grandes se utilizan los modelos esqueleto o linternas. Este tipo se usa para moldes grandes hechos manualmente en su mayoría. b) Otro tipo especial de modelos son las tarrajas las cuales se utilizan para fabricar moldes de piezas simétricas. c) Modelos maestros.-Son modelos generalmente hechos de madera, los cuales son utilizados para hacer los modelos para alta producción. Se pueden colar varios modelos para producción hechos con el modelo maestro y montar esos modelos en las placas correspondientes después de haberlos acabado a sus dimensiones apropiadas. En la manufactura de un modelo maestro deben incorporarse ciertas tolerancias tales como la conocida doble contracción. CAJAS DE CORAZONES Aún cuando en ocasiones no se les clasifique como modelos, las cajas de corazón son una parte esencial del equipo de modelos para elaborar una pieza que se quiera corazones. Las cajas de corazones se construyen de madera y de metal (hierro gris). El plástico no tiene mucha aplicación, la caja más sencilla se muestra en la figura, hecha de una sola pieza y el corazón de elaboración sencilla.

Suelen hacerse cajas de corazones múltiples para alta producción y cajas complicadas con paredes móviles para corazones difíciles. Los corazones que no tienen ninguna superficie plana requieren equipo especial para su manufactura tal como los secadores que son placas usualmente metálicas que siguen la conformación del corazón y lo soportan para poder sacarlo de la caja de corazones y posteriormente someterlo al proceso de endurecimiento por cocción o curado, y así evitar su deformación. FABRICACIÓN DE CORAZONES El corazón o macho es toda aquella porción del molde preparada por separado y que el objeto de crear un hueco al insertarse en el molde. El corazón es una sección costosa del molde, ya que hay que utilizar siempre una nueva arena para controlar mejor sus propiedades, tales como: resistencia al choque con el metal al ser vertido en el molde, resistencia a la abrasión, permeabilidad colapsabilidad o desmoronado, resistencia a las altas temperaturas (refractariedad) y elasticidad (para permitir la libre contracción de metal solidificante). Los corazones van colocados en el molde sobre unas Ing. Patricio Quezada M

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Unidad I Metalurgia Extractiva plantillas de apoyo, a fin de evitar movimientos del corazón durante el vaciado del metal líquido al interior del molde. La fabricación de los corazones, que puede ser bajo varios procesos, es una operación importante y decisiva para la obtención de una pieza con las propiedades y características deseadas, por lo que debe controlarse muy de cerca su elaboración. ÁNGULOS DE EXTRACCIÓN. Al tener preparado el molde es necesario abrirlo en 2 o más partes para poder extraer el modelo, para lo cual es necesario que este tenga en todas sus caras normales a la línea de partición, una inclinación que permita su extracción, sin que el modelo arrastre arena consigo. Para determinar el ángulo de extracción β de los modelos, se recomiendan los valores que se dan en la tabla.

ALTURA DEL MODELO De 1 a 10 mm De 11 a 20 mm De 21 a 35 mm De 36 a 65 mm De 66 a 150 mm De 151 a 250 mm De 251 a 400 mm De 401 a 600 mm De 601 a 800 mm De 801 a 1000 mm

ÁNGULOS DE PENDIENTES 3° 2° 1° 0° 45’ 0° 30’ 1.5 mm 2.5 mm 3.5 mm 4.5 mm 5.5 mm

SALIDA

Y

CONTRACCIÓN METÁLICA. Al solidificar los metales o aleaciones se contraen y disminuyen su volumen, este fenómeno origina una reducción en las medidas de la pieza, por lo cual los modelos al ser proyectados, deben contener en sus dimensiones el por ciento de contracción del metal o aleación. Ing. Patricio Quezada M

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Unidad I Metalurgia Extractiva En la tabla se dan algunos valores de contracción metálica, para aplicarlos a las dimensiones del modelo, en función del metal en que será vaciada la pieza.

Valores de contracción metálica Metal Fundición gris Fundición blanca Acero moldeado Bronce de estaño Bronce rojo Latón Aleaciones de zinc Aluminio Aleaciones de aluminio

% de contracción 0.5 a 1.2 1.2 a 2.0 1.5 a 2.0 0.8 a 2.0 0.8 a 1.6 0.8 a 1.8 1.0 a 1.5 0.5 a 1.0 1.0 a 2.3

FORMAS QUE FACILITEN EL MOLDEO. Al diseñar las formas de los modelos se deben prever que el modelo se facilite. Esto en ocasiones implica que la forma del modelo no sea semejante a la pieza que se desea obtener. CALCULO DE LAS DIMENSIONES DE UN MODELO.

Para simplificar el cálculo de las dimensiones del modelo en las cotas de definición, se debe tomar en cuenta las tolerancias, y los valores calculados,

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Unidad I Metalurgia Extractiva pueden redondearse al medio milimétrico, es decir, si la dimensión necesaria para el modelo es de 27.7 mm, el valor final del modelo puede ser 28.00 mm.

SISTEMAS DE ALIMENTACIÓN. Son muchos los factores que se deben controlar para obtener una buena pieza de fundición, uno de estos factores es debido al recorrido que efectúa el metal en el molde y su solidificación. Para diseñar un sistema de alimentación correcto, se requiere conocer los principios de flujo de fluidos y características de solidificación del metal vaciado. El metal líquido se introduce a la cavidad del molde a través de un “sistema de alimentación” compuesto de cuatro partes principales: el basín, un bebedero, un canal y los ataques. El metal se vacía primeramente en el basín y pasa el bebedero vertical, después fluye a través del canal (previamente tallado en la arena del molde) y por ultimo pasa por los ataques, para llegar a la cavidad del molde.

Los metales en estado líquido absorben gases. El líquido erosiona el material del molde durante el flujo del metal, y además sufre el proceso de solidificación y su contracción en volumen, razones por las cuales los sistemas de alimentación deben diseñarse con el siguiente criterio:

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Unidad I Metalurgia Extractiva a) El metal debe fluir a través del sistema de alimentación con el mínimo de turbulencia para evitar la oxidación del metal, el atropamiento de aire, la aspiración de gases en el molde, el eliminar las inclusiones de sustancias o rogaciones en el molde, inclusive evitar también la formación de escoria. b) El metal debe entrar a la cavidad del molde de una manera tal que los gradientes de temperatura sea tanto en el fondo como en la superficie del molde de tal forma que la solidificación sea progresiva y en dirección de la mazarota o cargador. La primera condición al diseñar un sistema de alimentación es la de reducir los efectos en las piezas causadas por inclusiones de escoria, erosiones y gases atrapados. La segunda condición es la de evitar los defectos causados por la contracción y una alimentación inadecuada. La tercera condición es producir piezas a un costo competitivo con otros procesos de manufactura. COMPONENTES DE UN SISTEMA DE ALIMENTACIÓN. Basín: Los sistemas de alimentación inician con un basín o recipiente, destinado a recibir el metal líquido de la cuchara de vaciado y deben a su vez mantener el resto del sistema lleno de metal líquido, también deberá ayudar a retener la escoria e inclusiones antes de que fluya a través del sistema. La figura 2 muestra el corte de un diseño de basín que permite tal función. Bebedero: El diseño correcto de un bebedero es extremadamente importante para el futuro de una buena pieza de fundición. Debe ser cónico en vez de recto, con la menor área en el fondo a fin de minimizar el efecto de vértice y evitar el atropamiento de burbujas de aire durante vaciado del metal. El área transversal de bebedero puede ser circular, fig. 3 (a), aunque también en resultados recientes de investigación recomienda el área transversal rectangular. Pozo (Base del fondo del bebedero): No debe tener aristas ni esquinas, se recomienda la forma circular y el fondo plano para reducir la tendencia a la turbulencia y la aspiración de aire. Canal: Son de sección rectangular y se deben diseñar de forma tal que permita distribuir el metal en forma uniforme a la pieza. Ataques: Se conocen también como entradas y son la última parte del sistema de alimentación y a su vez es la parte del sistema que tiene contacto con la cavidad del molde. Por regla general los ataques son de sección rectangular y pueden esta arriba del plano de participación o por debajo. Los ataques o entradas deben estar distribuidos en forma conveniente a la pieza.

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Procesos de Fundición de Metales

INTRODUCCIÓN Durante la última década, a consecuencia de la globalización, la industria de la fundición ha empezado a recibir una alta demanda para que optimice tanto sus procesos de vaciado como las propiedades de servicio de las aleaciones producidas; estas exigencias conducen a tener que soportar fuertes presiones para el logro de la reducción de costos, lo que conlleva el uso de la tecnología de fundición. Esto conduce a la necesidad de desarrollar una tecnología de fundición que ayude a vencer las dificultades para obtener de manera simultánea en la misma pieza, las cualidades superficiales de buen acabado, completa sanidad interna, y una microestructura apropiada que garantice las propiedades de servicio de dicha pieza. Por lo tanto, es imprescindible entender: los mecanismos de solidificación, los fundamentos de la naturaleza del flujo de fluidos metálicos, el comportamiento cinético de los metales y de las aleaciones líquidas, los fenómenos de contracción con y sin cambios de fase, los mecanismos de enlace en los materiales de moldeo, el comportamiento térmico tanto en los materiales de moldeo como en el interior de la pieza que se está solidificando y enfriando, y las transformaciones de fase en sólidos. La Fundición además de una industria es también un arte, el moldeador sin más ayuda que la de un modelo y algunas herramientas rudimentarias puede producir piezas muy complejas realizando un trabajo que puede llamarse de escultor

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Procesos de Fundición de Metales FUNDICIONES

Las fundiciones son aleaciones de hierro, carbono y silicio que generalmente contienen fósforo, azufre también manganeso y otros elementos más. Las fundiciones contienen mas carbono que los aceros (desde 2 hasta el 4,5 % de C) adquiriendo su forma directamente por colada, donde las fundiciones nunca son sometidas a procesos de deformación plástica ni en frío ni en caliente, Generalmente no son dúctiles ni maleables y no pueden ser forjadas ni laminadas. La fundición es , por lo tanto , una industria fundamental para la construcción de máquinas y exige una amplia cultura profesional quien se dedica a ella , pues requiere conocimientos técnicos tan diversos como son el dibujo industrial ,la mecánica de los cuerpos sólidos y fluidos , la óptica , la termología, la electrotecnia , la química etc. , mucha experiencia en los recursos prácticos a los que a menudo hay que recurrir, así como la capacidad especial para idear y aprovechar tales recursos . Para terminar la pieza hace falta como en todos los demás procedimientos industriales , someter las materias primas ( que en este caso es el metal en bruto fundido en lingotes y la chatarra ) y las materias auxiliares (esto es , el combustible , las arenas , los aglutinantes etc.) a una serie ordenada de operaciones sucesivas que constituyen el llamado diagrama de trabajo. En las fundiciones grises, que prácticamente son las más importantes aparecen durante la solidificación y posterior enfriamiento láminas de grafito que son las que originan discontinuidades en la matriz y la causa de que las características mecánicas de las fundiciones grises sean, en general muy inferiores que las de los aceros. El cubilote es el equipo más utilizado para la fabricación de la mayoría de las piezas de fundición. Para piezas en donde se fabrican fundiciones de calidad, fundiciones aleadas, son obtenidas utilizando horno de reverbero, horno de crisol y hornos eléctricos. TIPOS DE HIERRO FUNDIDO El mejor método para clasificar el hierro fundido es de acuerdo con su estructura metalográfica. Las variables a considerar que dan lugar a los diferentes tipos de hierro fundido son: el contenido de carbono, el contenido de aleación y de impurezas, la rapidez de enfriamiento durante o después del congelamiento, y el tratamiento térmico después de fundirse. Estas variables controlan la condición del carbono y también su forma física. El carbono puede estar combinado en forma de carburo de hierro en la cementita, o existir como carbono sin combinar (o libre) en forma de grafito. La forma y distribución de las partículas de carbono sin combinar influirá en las propiedades físicas del hierro fundido. Los tipos de hierro fundido son: Hierros fundidos blancos.- Los hierros fundidos contienen más del 2 % de C. La forma en la que el carbono solidifica depende de las velocidades de enfriamiento, así como de la composición, este control se ejerce principalmente por medio del contenido total de C y Si, además P y su efecto combinado puede ser expresado por el equivalente de carbono (C.E) C.E. (%) = C % + (Si % + P %) / 3 Ing. Patricio Quezada M.

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Unidad II Procesos de Fundición de Metales C.E < 3 y con enfriamiento rápido (espesor pequeño de la sección, menor de 6 mm en fundición en arena) toda la sección transversal se solidificará con una microestructura blanca es decir con todo el carbono en forma de Fe3C. El uso de éstas fundiciones son para materiales o partes que están sometidos a desgaste , tales como las bolas de molienda, recubrimientos para molinos de trituración de menas, y en algunas partes de maquinaria agrícola, no se le puede maquinar fácilmente excepto por esmerilado Cementita

Perlita

Fundición maleable.- El Fe3C del hierro fundido blanco se puede convertir en grafito estable mediante un tratamiento de recocido, en el que la cementita se descompone en grafito (carbono templado y ferrita). La resistencia y la ductilidad son similares a las del acero, pero con un punto de fusión menor y mayor fluidez y la fundibilidad es mejor, se utiliza para componentes pequeños eléctricos. Fig. 100X

Fig. 200X

Fundici ón hierro gris.- Con C.E relativamente elevado y velocidades de enfriamiento más lentas hay tiempo para que el hierro solidifique en forma estable, y para que el carbono se separe en forma de escamas de grafito haciendo la fractura de superficie de color gris opaco; de ahí el nombre de hierro gris. Las escamas de grafito reducen la ductilidad hasta anularla. Su bajo costo hace del hierro gris la elección preferida en todos los campos donde la ductilidad y la resistencia elevadas no son necesarias (pesas, marcos, armazones para motores, engranajes, bombas, tapas de alcantarilla, rejillas). Su capacidad de amortiguación elevada es una ventaja para las bases de las máquinas- herramientas. Ing. Patricio Quezada M.

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Procesos de Fundición de Metales Perlita Ferrita Hojuelas de Grafito

Hierro nodular.- Un hierro fundido dúctil se obtiene cuando el grafito se pasa a una forma globular, esto se logra agregando a la fusión una pequeña cantidad de magnesio o cerio (en forma de ferroaleación) que causa que el grafito se separe en partículas bien definidas casi esféricas(nódulos) distribuidas en la matriz de hierro o perlita. Este hierro nodular tiene una amplia gama de aplicaciones como cigüeñales de motor, carcasas de bombas, rodillos de trenes de laminación, y en generales en partes sometidas a cargas de impacto.

ESTRUCTURA Y PROPIEDADES DE LAS FUNDICIONES Las propiedades de una aleación solidificada no solo dependen de la composición, sino también del tamaño de grano y de la forma y distribución de las fases. Estos factores se pueden controlar y modificar en el curso de la solidificación. Cuando se vacía una fusión en un molde frío, el metal en contacto con éste se solidifica en forma de granos finos prácticamente equiaxiales (de dimensiones casi iguales en todas las direcciones), ya que las velocidades de enfriamiento son elevadas (zona de enfriamiento) y la pared del molde induce la nucleación heterogénea. El calor latente de fusión, liberado durante la solidificación,

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Unidad II Procesos de Fundición de Metales disminuye la velocidad de solidificación, el curso de la solidificación posterior depende del tipo de aleación que se vacía. PROPIEDADES DE LAS FUNDICIONES Las características de la solidificación se combinan con las propiedades del fluido con el fin de determinar la compatibilidad de varias aleaciones para su fundición. VISCOSIDAD. El vaciado de la fusión en un molde es en esencia un problema de flujo de fluidos y como tal resulta enormemente afectado por la resistencia ejercida por el fluido contra el flujo. Esta resistencia se puede medir como un esfuerzo cortante δ. Si una película del fluido de espesor h se corta entre dos placas planas paralelas una de las cuales se mueve a una velocidad v, el esfuerzo cortante δ, ζ es la fuerza por unidad de área que actúa sobre estas placas.

δ= η (dv/dh) = ný Donde ý es la velocidad de deformación unitaria por cortante, y η la viscosidad dinámica (en unidades de N. s/m2) Las dendritas incrementan enormemente la viscosidad aparente, excepto cuando las velocidades de corte son suficientemente grandes para romper las dendritas; entonces, la viscosidad es baja, similar a la que se encuentra en los cristales equiaxiales. EFECTOS SUPERFICIALES Cuando la fusión debe fluir a través de canales pequeños (por lo general menores de 5 mm) la tensión superficial se vuelve significante. Una tensión superficial elevada hace imposible llenar esquinas agudas. Al exponerse a la atmósfera, la superficie de muchas fusiones se recubre rápidamente con una película de óxido, cuya naturaleza influye en gran medida en el comportamiento de la fundición. COLABILIDAD Propiedad que mide la capacidad de alcanzar los puntos alejados de la alimentación del molde.

FLUIDEZ

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Unidad II Procesos de Fundición de Metales Es la capacidad de un metal para llenar un molde, siendo una propiedad del sistema que es una función que no solo depende del metal sino también del molde. La fluidez se incrementa con el aumento del sobrecalentamiento, porque éste baja la viscosidad y retrasa la solidificación. La fluidez se eleva con el incremento de la temperatura del molde ya que la solidificación se retrasa.

CONTRACCIÓN Diferencia entre las dimensiones del molde y de la pieza colada una vez fría. Esto es debido a la contracción de la masa líquida durante el enfriamiento, a la contracción durante el cambio de líquido a sólido y a la contracción que experimenta la masa solidificada durante el enfriamiento. CUADRO DE CONTRACCIONES LINEALES MEDIAS DE FUNDICIÓN ALEACIÓN Fundición gris

Fundición gris de gran resistencia

DIMENSIONES MODELO MACIZAS (mm) Hasta 600

DEL PIEZAS

PIEZAS CON MACHOS (mm)

CONTRACCIÓN % o mm/m

Hasta 600

10 %

De 630 a 1200

De 630 a 900

8.5

Mas de 1200

Mas de 1200

7.0

Hasta 600

Hasta 600

13.0

De 630 a 1200

De 630 a 900

10.5

Mas de 1200

Mas de 1200

8.5 15....16

Fundición blanca colada en arena

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EN

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Fundición blanca colada en coquilla Fundición maleable: Espesores de

18

13 3mm. 10 10mm 7 20mm Acero

Bronce mecánico con 10 % de estaño Latón con 37 % de cinc Latón con 40 % de cinc Aluminio y sus aleaciones

Hasta 600

Hasta 450

20

De 630 a 1200

De 480 a 1200

15.5

Mas de 1800

De 1200 a 1675

13

Mas de 1765

11 14 16 18

Piezas pequeñas

Pequeñas

13..15

Piezas mediana

Medianas

12...13

Piezas grandes

grandes

11...12 11...13...14

Aleaciones de magnesio Aleación de plomo y estaño

2...3

Energía calórica que se debe aportar al material en el proceso de colada. Será la suma del calor para elevar la temperatura desde la temperatura ambiente hasta la temperatura de fusión, más el calor de fusión, más la temperatura para elevarlo desde la temperatura de fusión hasta la de vaciado.

H = ρ.V [ Cs.(Tm- To) + Hf +C1.(Tp-Tm)] Donde: H = Calor total requerido ρ = Densidad (gr/cc) Cs= Calor específico en peso para material sólido (J/g ºC) To = Temperatura del ambiente (ºC)

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Unidad II Procesos de Fundición de Metales Tm = Temperatura de fusión (ºC) Tp = Temperatura de vaciado (ºC) V = volumen (cc) Ley de la continuidad Establece que la velocidad volumétrica del flujo permanece constante a través del líquido Q = V1.A1 = V2.A2 Donde Q = velocidad del flujo volumétrico o caudal (cm3 /s) V = velocidad de un punto de la masa líquida (cm/s) y A = Área de un sección transversal del líquido. Regla de Chvorinov.- Indica que el tiempo total de solidificación de la fundición después del vaciado depende del tamaño y forma de la pieza. Según la relación: TST = Cm . ( V / A ) Donde: TST es el tiempo de solidificación total. V es el volumen de la fundición. A es el área superficial de la fundición. n es el exponente que toma el valor 2 generalmente. Cm la constante del molde. Teorema de Bernoulli.- Establece que la suma de las energías (altura, presión dinámica, energía cinética, y presión) en dos puntos cualquiera de un líquido que fluye son iguales. h1 +( P1 / ρ. g) +( V 12 / 2g) + F1 = h2 + (P2 / ρ. g) + ( V 22 / 2g) + F2

Donde :

h = es la altura ( cm) P = Presión en el líquido ( N/cm2 ) r = densidad ( g/cc)

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Procesos de Fundición de Metales V = velocidad del flujo( cm/s) g = constante de aceleración de la gravedad ( 981 cm/s2 ) y F = pérdidas de carga debido a la fricción (cm).

Tiempo requerido para llenar el molde.MFT = V/Q Donde:

V = volumen de la cavidad Q = Velocidad volumétrica de flujo y MFT = el tiempo de llenado.

Ejemplo: Se pretende hacer una pieza cilíndrica de volumen 1000 cm3, en un molde de área en el cual se ha diseñado un bebedero de colada de 5 cm de longitud y una sección de 1cm3, como se muestra en la figura;

a) Cual es el tiempo mínimo requerido para el llenado de la pieza (ausencia de fricciones). b) ¿Cuál es el tiempo de solidificación de la pieza, considerando una constante Cm =.46 min/ cm2 y n = 2 ?. Solución: El problema es determinar el tiempo de llenado y solidificación en el proceso de colada de una pieza. 1.- Tiempo mínimo requerido para el llenado

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Unidad II Procesos de Fundición de Metales Primero calculamos la velocidad del flujo en el bebedero de colada. Aplicando el teorema de Bernoulli entre el punto 1 y 2 del gráfico, sin tomar en cuenta las pérdidas por fricción y trabajando a presión atmosférica tendremos: h1 + V 12 / 2g = h2 + V 22 / 2g Donde: V1 es la velocidad en la parte superior del bebedero V2 es la velocidad en la base del bebedero y h2 = 0 h1 = V2 / 2g

V2 = 2gh

V2 = 2 (9.8) 0.5 = 99.05 cm/s

Aplicando la ley de continuidad, calculamos la velocidad del flujo volumétrico: Q = V. A = 99.05 (cm/s) . 1 cm2 Q = 99.05 cm3 / s. El tiempo de llenado que se requiere para rellenar la pieza de 1000 cm3 es : MTF = V / Q = 1000 cm3 / 99.05 cm3 / s MTF = 10.01 s.

2.- Tiempo de solidificación de la pieza

Para calcular el tiempo de solidificación aplicamos la regla de Chvorinov: TST = Cm . ( V / A ) n Para esto necesitamos conocer el área y el volumen de la pieza cilíndrica. V = 1000cm3 = π .D. h / 4 D = 11.28 cm ( r = 5.64 cm ) En el caso del área consideramos dos veces las superficies circulares y el perímetro por la altura de la siguiente manera: Ing. Patricio Quezada M.

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Procesos de Fundición de Metales A = 2, π . r . h. + 2 π r 2 A = 354.49 + 19.86 A = 554.35 cm2

Sustituyendo en la fórmula de Chvorinov: TST = 0.46 ( min / cm 2 ) ( 1000 cm3 / 554.9 cm2) TST = 1.5 minutos tardará en solidificar. PASOS PARA UN PROCESO DE FUNDICIÓN. Proyecto y Diseño. El proyectista al idear la máquina, debe darle un cuerpo resistente y duradero calculando las diferentes partes y transmitir las ideas al constructor que realiza los diseños de conjunto y detalles de cada pieza debidamente acotados, de aquí la idea de la estrecha relación entre el fundidor, el modelista, y el proyectista de manera que se conozca la técnica de fundición, para prever la reducción de piezas defectuosas, bajar costos. Ejecución del modelo. Después de las comprobaciones necesarias y si el modelo va a ser de madera o de otro material, el modelista construye un modelo teniendo en cuenta el sistema de moldeo que adoptará el fundidor, tomando en cuenta el grado de contracción del metal y los espesores de mecanización. Si la pieza posee un hueco interior el modelista hará también la correspondiente caja de machos almas, núcleos o noyos. Diseño del Molde.Se determínale peso y el volumen de la fundición. Con base en el volumen y en la configuración geométrica se precisa el tamaño y el número de mazarotas. Por medio de la teoría y de las relaciones empíricas se establece el tiempo óptimo de vaciado. Se diseña el sistema de alimentación que permita el llenado del molde en el tiempo permitido y de la manera más uniforme posible. Moldeo. Una vez comprobado el modelo, se debe hacer el molde o forma reproducción en negativo de la configuración y las dimensiones de la pieza que va a ser fundida. Los moldes pueden ser: Ing. Patricio Quezada M.

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Unidad II Procesos de Fundición de Metales a) Desechables (transitorio) fabricados de arena, yeso, cerámica y materiales similares. Estos materiales son por lo general mezclados con varios aglutinantes o agentes de unión, estos materiales son refractarios, es decir son capaces de resistir altas temperaturas de los metales fundidos. Una vez solidificada la pieza el molde es roto para retirar la pieza fundida. b)

Permanentes hechos de metales que conservan su resistencia a altas temperaturas, se utilizan de manera repetida y están diseñados de forma que la pieza colada pueda ser retirada con facilidad y utilizar el molde en la siguiente colada. Dado que los moldes de metal son los mejores

c) conductores del calor que los moldes desechables no metálicos, la fundición al solidificarse queda sometida a una velocidad de enfriamiento más rápida, lo que afecta directamente a la microestructura y el tamaño de grano de la fundición. d) Moldes compuestos, fabricados de dos o más materiales distintos como arena grafito y metal combinando las ventajas de cada material. Son utilizados en algunos procesos de fundición para mejorar la resistencia del molde, controlar la velocidad de enfriamiento. Preparación de arenas.- Para los moldes perdidos es necesario preparar las arenas añadiendo los materiales adecuados para que adquiera las suficientes propiedades como son la permeabilidad, cohesión, refractariedad, dureza, etc. Preparación de la coquilla.- Para moldes permanentes hay que construir la coquilla mediante operaciones mecánicas de torneado, fresado etc, y preparar para la colada. Preparación del metal fundido.- El metal se calentará a la temperatura de fusión, de manera que pase del estado sólido al líquido, esto puede realizarse en cualquier horno dependiendo de las características y ventajas que cada uno ofrezca. Solidificación y enfriamiento.- Después de cada colada se debe esperar que se enfriara la pieza en el molde, dependiendo de las dimensiones y formas. Desmoldeo.- Después de la solidificación y el enfriamiento se procede al desmoldeo, levantando la caja y rompiendo el molde con martillo. Los moldes permanentes de yeso y las coquillas metálicas solo han de abrirse después de sacada la pieza. Acabado.- La pieza extraída del molde está áspera, tiene incrustaciones de arena y las rebabas que corresponden a las juntas de la caja y lleva unidos los bebederos, cargadores y mazarotas. Es necesarios pulir la pieza, desprender los bebederos y los cargadores y luego limpiarla con un chorro de arena. Tratamientos Térmicos.- Algunas veces las piezas han de ser sometidas a Ing. Patricio Quezada M.

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Unidad II Procesos de Fundición de Metales tratamientos térmicos para mejorar o modificar sus propiedades. Mecanización.- Las piezas destinadas a la construcción de alguna máquina pasan finalmente al taller para su mecanización la cual tiene por objeto dimensionar exactamente la pieza y asegurar con ello el perfecto funcionamiento de la máquina. FUNDICION EN ARENA El método tradicional de vaciado de metales es en moldes de arena y ha sido usado durante muchos años. El origen de la fundición se remonta a tiempos muy lejanos, sigue siendo la más prevaleciente de fundición. Solo en EE UU se vacían aproximadamente 15 millones de toneladas de metal usando este método. La fundición en arena consiste: a) Colocar un modelo con la forma de la pieza deseada en arena para crear una impresión. b) Incorporar un sistema de alimentación. c) Llenar la cavidad resultante de metal fundido d) Dejar que el metal se enfríe hasta que se solidifique. e) Romper el molde de arena. f) Retirar la fundición. Los pasos de producción correspondientes a una operación típica de fundición en arena aparecen en el siguiente gráfico. Fabricación del modelo Fabricación del corazón Sistema de alimentación

Moldeo

Arena

Molde

Fusión del metal

Vaciado en molde

Hornos

Solidificación

Pieza fundida

Limpieza terminado

Tratamiento Térmico

Sacudida Eliminación canales Alimentación-mazarotas

Inspección

oo Tratamiento térmico Defectos adicional

ARENAS La mayor parte de las operaciones de fundición en arena utilizan la sílice (que es un producto de la desintegración de las rocas a lo largo de Ing. Patricio Quezada M.

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Unidad II Procesos de Fundición de Metales muchos períodos de tiempo). La arena es económica y adecuada como material de molde, debido a sus características entre las cuales tenemos la resistencia a altas temperaturas. Existen dos tipos generales de arenas: Naturalmente unida (arena de banco) y sintética (arena de lago). Son importantes varios factores en la selección de la arena para los moldes. Arena con granos finos y redondos se pueden prensar más y forma una superficie lisa en el molde, aunque la arena de grano fino aumenta la resistencia del molde, los granos finos también reducen la permeabilidad del molde. Los moldes con buena permeabilidad permiten la fácil evacuación de gases y vapores presentes durante la fundición. Las arenas de fundición están constituidas por granos de cuarzo (bióxido de silicio), SiO 2 muy refractario, y por arcilla (silicato hidratado de aluminio 2SiO2.AI2O3.2H2O) que es elemento de unión y confiere plasticidad y disgregabilidad al molde, la estructura granular propia de la arena asegura la permeabilidad. Las arenas de fundición tienen un origen común. La roca madre de la cual derivan es el granito, compuesto de feldespato, cuarzo y mica. El feldespato (silicato doble de aluminio y potasio o sodio) actúa de sustancia aglomerante de la mica y el cuarzo, bajo la acción tenaz y constante de los agentes atmosféricos se disocian los dos silicatos que componen el feldespato. El silicato de aluminio al hidratarse se convierte en arcilla.No siempre puede emplearse la arena en la fundición tal como llega de los depósitos sino que debe someterse a los algunos procesos de modificación que se efectuarán después de una serie de pruebas para el estudio de las características técnicas. Hay tres tipos de aglomerantes y aglutinantes que se utiliza para modificar las propiedades de las arenas. Aglutinantes inorgánicos de tipo arcilloso: Arcillas y bentonitas. En general la acción de la arcilla natural y de la bentonita (constituida de montmorillonita, es un ejemplo de arcilla coloidal) es cualitativamente similar a la de la arcilla geológicamente aglutinada a las arenas arcillosa naturales. La bentonita se diferencia de la arcilla en que contiene una capacidad de absorción mucho más elevada (en el aire se hincha hasta 16 veces su volumen primitivo) y su poder aglutinante es de 2 a 3 veces mayor que el de la arcilla. La proporción de la arcilla que se utiliza en las arenas para fundición es del 2 al 4 % en peso de arena seca, se añade el 3 al 4 % de agua y se mezcla durante 5 a 15 minutos. CARACTERÍSTICAS FÍSICO QUÍMICAS DE LA ARENA Estas características influyen directamente en las propiedades técnicas de la arena. 1. Análisis químico 2. Contenido arcilloso 3. Dimensión de los granos y su distribución y 4. Forma de los granos

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Unidad II Procesos de Fundición de Metales La importancia del análisis químico permite prever la refractariedad y la cohesión de las arenas estableciendo la composición en su contenido de cuarzo arcilloso y feldespato. La determinación del contenido arcilloso sirve para deducir el porcentaje arcilloso en la arena. Para determinar el tamaño de grano se efectúa el análisis granulométrico haciendo pasar por diferentes cedazos metálicos (once) de acuerdo a las nomas alemanas DIN. La forma de los granos se examina a través de un microscopio para distinguir entre granos redondos, granos angulosos y compuestos.

CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DE LAS ARENAS. Las características técnicas que más interesa conocer y comprobar son: • • • •

Refractariedad Cohesión o resistencia Permeabilidad Deslizamiento

Refractariedad.- Se determina por la temperatura a que puede someterse sin presentar signos de fusión, además la forma y tamaño de los granos influyen en la refractariedad, dependiendo del material que se va a colar, la arena para acero debe resistir temperaturas entre 1350 y 1400 ° C y las arenas para materiales no ferrosos de 850 a 1400 ° C. La cohesión.- Se la puede determinar por medio de cuatro pruebas que determinan las cargas de rotura por compresión, por tracción, por flexión, y por cortadura, en donde la arena al moldearse debe ser capaz de soportar las fuerzas a que está sometido el molde durante las diversas operaciones. La permeabilidad.- Permite a la arena ser atravesada por los gases y evacuarlos en el momento de la colada El deslizamiento.- Y la movilidad de una arena de fundición permiten llenar todos los huecos del modelo y se desliza hacia la superficie y no necesariamente en dirección del atacado

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MOLDEO El moldeo a mano se realiza cuando las operaciones para obtener una pieza o elemento se efectúan en su mayor parte por medios puramente manuales. El moldeador a mano debe ser un operario especializado que conozca a fondo el arte de la fundición, tenga larga experiencia y sea capaz de asimilar rápidamente las indicaciones y las sugerencias de los jefes de taller.

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Unidad II Procesos de Fundición de Metales El molde deberá tener buena colapsabilidad (para permitir que la pieza fundida se contraiga al enfriarse) con el fin de evitar defectos en el colado, como grietas en caliento y agrietamientos, poseer un ángulo de deslizamiento. Por lo tanto se debe seleccionar y preparar la arena antes de utilizarla para el moldeo. Se utilizan máquinas para mezclar uniformemente la arena con aditivos, para unir las partículas de las arenas, dándole resistencia, se utiliza bentonita como aglutinante. Se puede utilizar Arenas de Zirconio (ZrSiO4), olivino ( Mg2SiO4) y silicato de hierro ( Fe2SiO4) en fundidoras de acero debido a su baja dilatación térmica. MAQUINAS PARA EL MOLDEO DE LA ARENA El método más antiguo para el moldeo que se sigue utilizando en fundiciones simples, es compactar la arena presionándola con la mano(apisonamiento) o compactándola alrededor del modelo, sin embargo actualmente existen máquinas de moldeo que eliminan horas de mano de obra, ofreciendo fundiciones de alta calidad al mejorar la aplicación y distribución de fuerzas, incrementando la velocidad de producción. Para el llenado de la arena en las cajas se utilizan lanzadores de arena, que rellenan la caja de moldeo de manera uniforme con un chorro de alta presión FUNDICIÓN MANUAL Para que una fundición se encuentre bien organizada son necesarias las siguientes indicaciones: • • • • •

Que exista una orden por escrito o una hoja de trabajo con el número de piezas marca y número del modelo, La caja o las cajas de moldeo necesarias en perfectas condiciones. Indicaciones sobre la arena a utilizar Indicaciones precisas sobre el sistema de moldeo y de colada. Que existan todas las herramientas y materiales necesarios para el moldeo.

HERRAMIENTAS NECESARIAS PARA EL MOLDEO

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FUNDICIÓN EN MODELO CONSUMIBLE El proceso de fundición en modelo consumible utiliza un modelo de polietileno, el mismo que se evapora en contacto con el metal fundido para formar una cavidad para la fundición. El proceso también se conoce como fundición de modelo evaporado o de modelo perdido, convirtiéndose en uno de los procesos de fundición más importante para metales ferrosos y no ferrosos en particular para la industria automotriz. El proceso consiste en colocar polietileno crudo en un dado precalentado que se encuentra generalmente hecho de aluminio. El polietileno se expande y toma la forma de la cavidad del dado, se aplica más calor para que se fundan y se unan las perlas entre sí. El dado se deja entonces enfriar y se abre, retirándose el modelo de polietileno. El modelo se recubre con un barro refractario base agua, se seca y se coloca en una caja de moldeo, la caja se llena de arena fina, que rodea y soporta el modelo y puede secarse o mezclarse con agentes aglutinantes para darle resistencia adicional. La arena es compactada de manera periódica utilizando diversos medios, entonces sin retirar el patrón de polietileno se vacía el metal fundido en el molde. Esta acción de inmediato vaporiza al modelo y llena la cavidad del molde, reemplazando completamente el espacio antes utilizado por el modelo de polietileno. La fluidez es inferior a la de la fundición en arena, esto tiene efectos importantes en la microestructura en toda la fundición y también conduce a una solidificación direccional del metal. El proceso de modelo evaporativo tiene un cierto número de ventajas sobre otros métodos de fundición: • •

El proceso es relativamente simple porque no existen líneas de partición, corazones o sistemas de alimentación; por tanto tiene fluidez de diseño. El precio de polietileno es económico y se puede procesar con

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Unidad II Procesos de Fundición de Metales facilidad en modelos con formas complejas, tamaños varios y un buen acabado superficial. • La fundición requiere un mínimo acabado y limpieza. • Para el proceso bastan cajas de moldeo sencillas y de bajo costo. • El proceso puede ser automatizado y económico para grandes lotes de producción. Las aplicaciones a través de este proceso son: las cabezas de cilindro, cigüeñales, los componentes de frenos y los múltiples para automóvil, así como las bases para maquinaria.

FUNDICIÓN EN MOLDE DE YESO El molde se hace en yeso (sulfato de calcio) con la adición de talco y harina de sílice para mejorar la resistencia y controlar el tiempo requerido para el curado del yeso, estos componentes se mezclan con agua. Una vez curado el yeso por lo general después de 15 minutos, se retira el patrón y se deja secar el molde de 120 a 260 °C para eliminar la humedad. Pueden utilizarse temperaturas de secado más elevadas dependiendo del tipo de yeso. El colado en molde de yeso no tuvo éxito hasta que se encontraron formas de hacer permeable el yeso, de modo que los gases pudieran escapar del molde. El exceso de agua ayuda puesto que se expulsa cuando se hornea para secarlo y deja poros. Los modelos para el colado en yeso se fabrican por lo general de aleaciones de aluminio, de plásticos termoestables de latón o de aleaciones de cinc, la fundición con moldes de yeso se utiliza únicamente para aluminio magnesio Ing. Patricio Quezada M.

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Unidad II Procesos de Fundición de Metales cinc y algunas aleaciones de cobre, ya que la mayoría de las aleaciones ferrosas se vierten a temperaturas demasiado altas que funden el yeso. Se evita el plomo porque reacciona con el yeso. Algunos productos típicos son partes de aviación, conexiones y accesorios de plomería, pistones de aluminio, cerraduras, hélices de propulsión entre otras. Las piezas realizadas por este proceso tienen muy buen acabado, tienen menor conductividad térmica comparada con otros ya que se enfrían lentamente y se obtiene una estructura de grano uniforme. Como resultado, algunos pero no todos los metales colados en moldes de yeso tienen menos resistencia que si se colaran en arena o en moldes de metal; se pierde en resistencia hasta el 25 % para algunas aleaciones de aluminio. El espesor de las paredes de las piezas pueden ser desde 1 mm hasta 2.5 mm. Este proceso se conoce como fundiciones de precisión en razón de la elevada precisión dimensional y el buen acabado superficial obtenido. Con frecuencia éstas ventajas ayudan a eliminar maquinado costoso. Piezas típicas incluyen componentes para cerraduras, engranajes, válvulas, acoplamientos herramientas y piezas de ornato. El colado en molde de yeso en promedio es cerca de tres veces tan costoso como el colado en arena ya que los modelos y las cajas de corazón cuestan más, y los moldes y los corazones toman más tiempo para prepararse y hornearse.

FUNDICIÓN EN MOLDE CERÁMICO Es similar al proceso de yeso, con la excepción que utiliza materiales refractarios para el molde adecuados para aplicaciones de alta temperatura. El Ing. Patricio Quezada M.

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Unidad II Procesos de Fundición de Metales barro es una mezcla de Zirconio de grano fino (ZrS¡O4) óxido de aluminio y sílice fundido que se mezclan con agentes aglutinantes y se vacían sobre el modelo el mismo que ha sido colocado en una caja de moldeo . El modelo puede estar hecho de madera o de metal, después del endurecimiento, los moldes (caras de cerámica) se retiran, se secan, se queman para eliminar toda materia volátil y se hornean. Los moldes se fijan firmemente y se utilizan como moldes totalmente de cerámica. En el proceso Shaw, las caras de cerámica son recubiertas de arcilla refractaria (arcilla usada en la fabricación de ladrillos refractarios que resisten altas temperaturas) para impartir resistencia al molde, Las caras se ensamblan después formando un molde completo listo para su vaciado. La resistencia a las altas temperaturas de los materiales refractarios moldeados usados permite que éstos se utilicen en le colada de aleaciones no ferrosas y otras de alta temperatura de fusión de aceros inoxidables y de aceros para herramientas. Las piezas fundidas tienen una buena precisión dimensional y buen acabado superficial en una amplia variedad de tamaños y formas complejas, pero el proceso es un poco costoso. Las piezas que típicamente se fabrican son impulsores, cortadores para operaciones de maquinado, dados para trabajo en metal y moldes para la fabricación de componentes de plástico y hule. A través de este proceso se han fundido piezas con pesos de hasta 700 Kg.

FUNDICIÓN EN MOLDE PERMANENTE El proceso de colado en molde permanente se presenta cuando se vierte metal fluido en moldes de metal y se sujeta solo a la presión hidrostática En el proceso de fundición en molde permanente, también conocido como fundición en molde duro, se fabrican dos mitades de un molde de materiales como el hierro colado, el acero, el bronce, el grafito o aleaciones de metal refractario. La Ing. Patricio Quezada M.

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Unidad II Procesos de Fundición de Metales cavidad del molde y el sistema de canales de alimentación se maquinan y por lo tanto forman parte integral del mismo. Para producir piezas con cavidades internas, se colocan corazones hechos de metal o de agregados de arena en el molde antes de la fundición. Los materiales típicos para el corazón son la arena aglutinada con aceite o con resina, el yeso, el grafito, el hierro gris, el acero de bajo carbono y el acero para trabajo en caliente. El más usado es el hierro gris para moldes grandes en la fundición de aluminio y de magnesio. A fin de incrementar la vida útil de los moldes permanentes las superficies de la cavidad del molde por lo general están recubiertos con un barro refractario (silicato de sodio y arcilla) o se rocían con grafito cada cierto número de coladas. Estos recubrimientos sirven también como agentes de separación y como barreras térmicas, controlando la velocidad de enfriamiento de la fundición. Los moldes se sujetan juntos por medios mecánicos y se calientan aproximadamente 150 °C -200°C para facilitar el flujo del metal y reducir el daño térmico a los dados debido a gradientes de temperatura elevados. El metal fundido se vacía a través de canales de alimentación. Después de la solidificación se abren los moldes y se extrae la pieza colada. Para enfriar el molde se emplean medios especiales incluyendo el agua o el uso de aletas similares a las que se encuentran en los motores de motocicletas o de cortadores de césped para enfriar el motor. Aunque la operación de fundición en molde permanente se puede llevar a cabo manualmente el proceso se puede automatizar para grandes lotes de producción .Este proceso se utiliza principalmente para aleaciones de aluminio, magnesio, cobre debidos a sus puntos de fusión por lo general inferiores. También se puede fundir aceros utilizando moldes de grafito o de metal resistente al calor. Este proceso produce tasa elevadas de producción, fundiciones con buen acabado superficial buenas tolerancias dimensionales y propiedades mecánicas uniformes y buenas. Piezas típicas que se fabrican incluyen los pistones automotrices, las cabezas de cilindros, bielas, losa discos en bruto para engranajes enseres domésticos y los utensilios de cocina. Las piezas que se pueden fabricar económicamente en general pesan menos de 25 Kg. Aunque se han hecho fundiciones especiales que pesan unos cuantos eventos de kg. Utilizando este proceso. A pesar de que los costos por equipo pueden ser altos debido a los costos de los dados, los costos por mano de obra pueden mantenerse reducidos mecanizando el proceso. La fundición en molde permanente no es económica para pequeños lotes de producción y debido a la dificultad de extraer la fundición del molde, no es posible fundir formas complejas utilizando este proceso. Sin embargo se pueden utilizar corazones de arena fácilmente colapsables y extraíbles de las fundiciones para dejar cavidades internas complejas.

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FUNDICIÓN EN CASCARA O HUECO La fundición en cascara se desarrolló durante y desde la segunda guerra mundial, y ha crecido de manera significativa, ya que pueden producir a bajo costo muchos tipos de fundición con estrechas tolerancias dimensionales y un buen acabado superficial. En este proceso un modelo montado hecho de un metal ferroso o de aluminio es calentado a 175°C hasta 370°C es recubierto con un agente separador como el silicón, y se sujeta a una caja o una cámara, la caja contiene arena fina mezclada con 2.5 a 4 % de aglutinante de resina termoestable (como el fenolformaldehído), la caja se voltea alrededor del modelo y se forma una capa, después de un fracción de

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Unidad II Procesos de Fundición de Metales minuto, se vuelca el modelo para quitar el exceso. El espesor de la capa depende del tiempo en que permanezca en el modelo la masa de material y es común ya sea de 5 a 10 mm según se requiera para el trabajo. La cascara se levanta del molde el cual se limpia y se rocía con un compuesto de silicón de partición con el fin de prepararlo para la siguiente cascara. Un método de moldeo en cascara es soplar el material de moldeo en el modelo, el material puede depositarse uniformemente forzarse en formas intrincadas y controlarse en cantidad. Un método más simple consiste en colocar la cara caliente del modelo hundiéndola en el material de moldeo enrasado en una caja parcialmente llena. Se vierte la caja después del tiempo requerido y entonces se revierte. Las cascaras de semicaja superior y semicaja inferior se hacen para que juntos formen un molde .Con frecuencia se pegan con adhesivo para producción, el espesor de la película adhesiva puede variar de 0.25 a 0.5 mm., lo cual no es deseable para colados de precisión. Los moldes empastados juntos deben embeberse en arena o en granalla si se necesita refuerzo para contrarrestar la presión hidrostática del metal. Los moldes para los colados de precisión se engrapan juntos y en la producción se sostienen en dispositivos de metal de respaldo, especial para colados grandes. VENTAJAS DEL MOLDEO EN CASCARA El moldeo en cascara es más caro en la mayoría de los casos que el moldeo en arena verde. Esto se debe a que el material de moldeo cuesta de cuatro a cinco veces lo que vale la arena sola. Parte de este costo pero no todo se ahorra debido a ciertas ventajas del moldeo en cascara. Los moldes son ligeros, fáciles de manejar, los gases escapan con facilidad a través de las cascaras delgadas y se desperdician menos colados con rechupes o bolsas; y el proceso se adapta con facilidad a la mecanización. El costo del modelo en cascara se justifica para muchos trabajos y pueden hacerse mejor que con el moldeo en arena. Las formas complejas y partes intrincadas que no pueden colarse en arena pueden hacerse por moldeo en cascara, se deja menos material innecesario para el maquinado, por lo tanto los colados en moldeo en cascara sufren menos variación en las secciones transversales y tienden a tener capas superficiales más suaves que los colados hechos en moldes de arena. La elevada calidad de la pieza terminada puede reducir de manera significativa los costos de acabado y maquinado.

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Procesos de Fundición de Metales FUNDICIÓN CENTRIFUGA

La fundición centrífuga se hace colando meta fundido en un molde giratorio. El metal fundido se vacía por el centro y es obligado a pasar al molde debido a la fuerza centrífuga. Las propiedades de las fundiciones varían en función de la distancia del eje de rotación. La fuerza centrífuga crea presiones que exceden la gravedad para empujar el metal dentro del molde. Ejemplo. Una aleación de aluminio que gira a cerca de 2600 rpm está sujeta a una presión aproximada de 250 kPa. (36 ksi) aproximadamente a 100 mm (4 pulg.) diámetro y es más grande a diámetros mayores. El colado centrífugo produce colados exactos de buena calidad y ahorra material, los colados son densos y tienen una estructura de grano fino con propiedades físicas altas y uniformes y están menos sujetos a las variaciones direccionales que los colados estáticos. El metal fluye con facilidad dentro de las secciones delgadas y los colados salen con detalle fino en la superficie exterior. Los gases y la escoria se expulsan saliendo del metal más pesado y las impurezas flotan en la superficie interior del colado de la cual pueden cortarse después. No son necesarias compuertas ni bebederos para suministrar una columna de presión y casi pueden eliminarse. Se ha encontrado que esto significa un ahorro de 40 % y más en el metal vertido. Todos los metales comunes pueden colarse por centrifugación en moldes de metal o de refractario. Un método es introducir un lodo cerámico en el molde rotatorio y centrifugarlo para formar un revestimiento compacto antes de que se vierta el metal. Se obtiene con rapidez y facilidad la rotación respecto a un eje vertical. Conforme el metal fluido gira se forma un cuenco paraboloide pequeño en el fondo. Las superficies exteriores pueden ser redondas cuadradas o hexagonales, y deben ser concéntricas con el agujero. Los agujeros redondos pueden formarse sin corazones y puede ahorrarse un gasto considerable para agujeros grandes, pero los agujeros de otras formas necesitan tener corazones. El procedimiento de colado centrífugo resulta de un costo muy elevado y solo se justifica para grandes producciones o para trabajos en ser

FUNDICIÓN CON COLADO CONTÍNUO Ing. Patricio Quezada M.

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Unidad II Procesos de Fundición de Metales La fundición por colado continuo consiste en verter el metal fundido en un extremo de un molde de metal abierto en ambos extremos, enfriarlo con rapidez y extraer el producto sólido en un largo continuo por el otro extremo. Estos se hace con cobre, latón, bronce aluminio y en un grado cada vez mayor en hierro colado y acero. El principio de colado continuo se lleva a cabo en varias formas que difieren en detalles. En la figura se muestra un proceso típico para aleaciones con base de cobre, llamado proceso asarco. El metal fluye en un molde o dado desde abajo de la superficie de una carga en un horno de contención que mantiene flotante la escoria. El metal fluye a través de una trayectoria tortuosa en el horno para proteger el molde de los efectos de salpicado durante el vertido. La parte inferior del molde está encamisada con agua y el metal solidifica con rapidez. El colado solidificado se jala a lo largo a velocidad controlada por los rodillos extractores. El proceso se inicia con una barra sustituto en el molde sobre la cual el primer metal se vierte y se enfría. Los metales como el hierro y el acero que conducen el calor con lentitud comparativa solidifican solo en la profundidad de cascara mientras están en el molde un lapso práctico de tiempo. Se rocían con agua y se solidifican por completo después de salir del molde. Algunos sistemas emplean moldes vibratorios o reciprocantes para evitar que se pegue el colado. Algunos moldes están curvados y el colado se enfila a una posición horizontal donde pasa a través de rodillos que lo enderezan. Por último el producto se hace para varios propósitos. Es adecuado en particular para cualesquier forma de sección transversal uniforme, redonda, cuadrada, rectangular, hexagonal, estriada, ascalonada, endentada para engranajes, macisas huecas etc. Un uso creciente es producir lingotes, placas y losas para rolar perfiles estructurales. Los perfiles colados en forma continua pueden cortarse al largo y acabarse por maquinado liviano (por ejemplo bujes y engranajes para bombas). Un colado continuo ofrece varias ventajas. Su rendimiento en perfiles rolados es 10% o más arriba del rolado a partir de lingotes. Una cantidad apreciable en el extremo de cada lingote debe cortarse y devolverse al horno debido a su porosidad, falta de solidez, y contenido de impurezas. La estructura del colado continuo es dendrítica como en otros colados, pero es más densa y uniforme que en los colados individuales porque la longitud entera recibe el mismo tratamiento en el mismo molde. Las propiedades físicas y los acabados de superficie son comparables con los obtenidos en otros procesos en molde de metal. El colado continuo en forma esencial es automático, y es bajo en costo unitario de mano de obra. El costo completo de una planta para fundir con electricidad y colar en forma continua y poder producir una aleación de alta calidad al régimen de 1.4 Gg. (3.000.000 lib.) por año es de varios millones de dólares.

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HORNOS DE FUNDICION DEFECTOS Y SEGURIDAD INDUSTRIAL Hornos de combustible Hornos eléctricos De arco (directo e indirecto) De resistencia De Inducción Hornos de crisol Hornos cubilotes Defectos de fundición clasificación. Seguridad Industrial en las fundidoras. Examen INTRODUCCIÓN La fusión consiste en hacer pasar los metales y sus aleaciones del estado sólido al estado líquido, generando determinada cantidad de calor, bien definida y característica para cada metal y aleación. Después de que se ha alcanzado la temperatura o punto de fusión es necesario generar calor para poder transformar el metal o la aleación de sólido en líquido. Durante este período, la temperatura no aumenta, y la cantidad de calor generada, destinada solamente a disgregar el estado sólido, se llama CALOR LATENTE DE FUSIÓN. Es la cantidad de calor necesaria expresada en calorías, para elevar 1 ºC (de + 14,5 a + 15,5 ºC) un kilogramo de metal se llama calor especifico del metal o aleación y se expresa en Kcal/ Kg. ºC. HORNOS DE COMBUSTIBLE Las fuentes de calor en estos hornos son los combustibles (coque, leña, carbón de leña, fuel-oil, gas-oil, metano, metano-butano) La temperatura máxima se obtiene cuando la combustión es completa, es decir cuando es lo más próxima a la teórica o sea sin exceso ni de combustible ni de comburente. Cada tipo de combustible tiene una particular temperatura teórica de la llama y ésta, en cada caso debe ser superior al punto de fusión del metal que hay que fundir. Por ejemplo la fundición gris funde a 1200 º C y por ello la llama de los diversos combustibles empleados para fundirla y recalentarla debe tener una temperatura de alrededor de 1800 º C para compensar toda clase de pérdida de calor. La temperatura teórica de la llama puede calcularse con mucha aproximación. Para calentar de t a t1ºC el peso P en Kg de un cuerpo de calor específico C (Kcal/ Kg. ºC) hace falta una cantidad de calor Q. Ing. Patricio Quezada M. Laboratorio de Fundición ESPE- 2008 72

Unidad III

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Q = P.C. (t1- t) Kcal. Si se supone que el cuerpo tenía una temperatura inicial igual a 0º es decir t = 0º tenemos: Q = P.C.t1 Kcal. Donde: t1 = Q / P.C

ºC

Cuando se quema un combustible se desarrollan gases de combustión; el peso de estos productos se representan por P1, P2, P3 y su calor específico por C1, C2, C3 con lo cual obtenemos: t1 = Q / (P1+P2 + P3) (C1, C2, C3)

º C.

Dado que los calores específicos de los gases de combustión son algo distintos unos de otros, en su conjunto puede dárseles un valor medio de 0,24. Por lo tanto la fórmula simplificada será: t1 = Q / P. 0.24 º C. Donde: P = P1+P2 + P3 es la suma de los pesos de los diversos gases de combustión. Ejemplo: ¿Cual es la temperatura de la llama del carbono que arde en oxígeno puro? C + O2 = CO2 + 8100 Kcal por kg. De carbono 12 Kg. + 32 Kg = 44 Kg. + 8100 Kcal por kg. De carbono Por lo tanto 1 Kg. de C proporciona 3,67 Kg de CO2. Fijando el calor específico del CO2 gas en 0.32 tendremos: t1 = 8100 / 3.67 x 0.32 = 6900 ºC. estos valores teóricos se cumplen siempre y cuando durante la combustión no se disperse hacia el exterior ninguna parte de calor. El generador de oxígeno para la combustión es el aire y más adelante se verá como los hornos para alcanzar sus temperaturas máximos necesitan utilización de precalentado. Un horno calentado a fuego directo contiene un pequeño hogar abierto donde se calienta la carga de metal mediante un quemador que se localiza al lado o bajo el crisol. El techo del horno contribuye a la acción del calentamiento reflejando la llama hacia abajo contra la carga. El combustible típico es el gas natural, diesel, los productos de la combustión salen a través de una chimenea, en el fondo del hogar hay un orificio de colada que deja salir el metal fundido. Los hornos

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calentados a fuego directo se usan para fundir metales no ferrosos como aleaciones de cobre y aluminio. GRAFICO DE UN HORNO DE COMBUSTIBLE

HORNOS ELECTRICOS Los hornos eléctricos son los más usados en fundición, la fuente de calor es un arco eléctrico continuo que se forma entre los electrodos y el metal cargado. Se dispone de varias configuraciones y se los clasifica en : Hornos eléctricos de arco Hornos eléctricos de resistencia Hornos eléctricos de inducción. Hornos eléctricos de arco se consiguen en varios diseños; el tipo más económico es de arco directo que se indica en la figura.

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Estos hornos tienen tapas removibles para cargarlos por arriba, el sangrado se realiza inclinando el horno. Existen normalmente de tres electrodos de grafito que pueden ser de hasta 750 mm ( 30 pulg ) diámetro y de 1 .5 a 2-5 mts. de longitud, Su altura dentro del horno se puede ajustar en respuesta a la cantidad de metal presente y al desgaste de los electrodos. En el horno eléctrico se introduce chatarra de hierro y acero junto con los ingredientes aleantes (adecuados para tal composición) y la piedra caliza (fundente) el techo se cierra y se bajan los electrodos. Se establece la conexión y dentro de un período de aproximadamente 2 horas el metal se funde. La corriente es desconectada, se elevan los electrodos, el horno es inclinado y el metal fundido es vaciado en un recipiente de traslado hacia los moldes. La capacidad de los hornos eléctricos va de 60 a 90 toneladas de acero por día. La calidad del acero producido es mejor que el de hogar abierto.

HORNOS DE RESISTENCIA En este tipo de hornos el calor es originado por la corriente que recorre los hilos, electrodos de aleaciones múltiples especiales o de grafito envueltos en espiral o doblados en S a fin de que puedan desarrollar la máxima longitud en el mínimo espacio, teniendo presente que la resistencia de un conductor en ohmios es proporcional a su longitud L, a su resistencia específica ρ e inversamente proporcional a su sección S. Ing. Patricio Quezada M.

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R=

ρ .L S

o h m io s

Las aleaciones metálicas que se pueden utilizar son el cromoniquel ( 20 /80 % ) o bien cromo-silicio- aluminio- cobalto. La temperatura máxima de trabajo que pueden resistir para un trabajo continuo se encuentra entre los 1000 y 1300 ºC . De esto se desprende la posibilidad de construir hornos para fundir aluminio, magnesio, Zinc, y aleaciones derivadas cuyo punto de fusión oscila entre los 400 y 700 º C. Los hornos son de construcción distinta según el empleo que se vaya a dar. Este tipo de horno se utiliza actualmente en fundiciones que trabajan con aleaciones ligeras porque en el mismo se puede regular automáticamente la necesaria temperatura de trabajo y mantener limpio el hogar del horno.

HORNOS DE INDUCCIÓN Un horno de inducción usa corriente alterna a través de una bobina que genera un campo magnético en el metal, el resultado de la corriente inducida causa un rápido calentamiento y la fusión del metal. El campo de fuerza electromagnético provoca una acción de mezclado en el metal líquido. Además como el metal no está en contacto directo con ningún elemento de calefacción, se puede controlar cuidadosamente el ambiente donde tiene lugar la fusión. El resultado es una fundición de alta calidad y pureza. Los hornos de inducción se usan para casi cualquier aleación cuyos requerimientos de calidad sean importantes. Sus aplicaciones para fundir aleaciones de acero, hierro gris nodular y aluminio son las más comunes que se pueden hacer.

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HORNO DE CRISOL Es el tipo más sencillo de horno se funde el metal, sin entrar en contacto con los gases de combustión. Por esta razón se llaman algunas veces hornos calentados indirectamente. Hay tres tipos de hornos de crisol que se utilizan en los talleres de fundición:  Tipo crisol móvil  Estacionario o fijo  Basculante o inclinable Todos los tres tipos de hornos utilizan un recipiente (crisol) hecho de un material refractario apropiado (ejemplo, mezcla de arcilla y grafito) o acero aleado de alta temperatura para contener la carga. En el horno de crisol móvil, el crisol se coloca en un horno que usa aceite, gas o carbón pulverizado para fundir la carga metálica. El horno e crisol estacionario con quemador integrado (stationary pot furnace) el horno es estacionario y el metal fundido se cucharea fuera del recipiente. En el horno de crisol basculante con quemador integrado el dispositivo entero se puede inclinar para vaciar la carga, éstos son utilizados para metales no ferrosos, el latón y aleaciones de zinc y aluminio.

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HORNO DE CUBILOTE Un cubilote es un horno cilíndrico vertical de acero recubierto de refractario, es el más usado en la fundición de hierro colado. Es también el más antiguo de los hornos para la refusión del hierro colado, si bien el progreso y la experiencia han sugerido muchas modificaciones que han cambiado el aspecto de los cubilotes modernos con respecto a los antiguos. La construcción general y características de operación no es complicada ya que utiliza materiales que se pueden encontrar fácilmente en el mercado. La carga que utiliza está constituida por hierro, coque, fundente y otros elementos de aleación que se cargan a través de una puerta ubicada en la parte superior. El coque constituye el combustible para calentar el horno a través de las aberturas cerca del fondo de la carcasa se introduce aire forzado para la combustión del coque. El fundente es cal, compuesto alcalino que reacciona con la ceniza de coque y otras impurezas para formar la escoria, que sirve para cubrir la fundición, protegiéndola de reaccionar con la atmósfera interior del cubilote y reduciendo las pérdidas de calor. Los cubilotes operan de manera continua, tienen elevadas velocidades de fusión y producen grandes cantidades de metal líquido.

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SELECCIÓN DEL HORNO Para la selección adecuada del horno se requiere tomar en consideración varios factores que pueden influir de manera significativa en la calidad de las fundiciones, así como la economía de las operaciones de fundición. Dentro de las necesidades la selección de un horno en general depende de los siguientes factores entre otros: a) Consideraciones económicas, como costo inicial, costos de operación y mantenimiento, costos de combustibles. b) La composición y el punto de fusión de la aleación a fundir, así como la facilidad para controlar sus características químicas. c) El control de la atmósfera del horno para evitar contaminación del metal. d) La capacidad y la rapidez de fusión requeridas. e) Consideraciones de tipo ecológico como contaminación del aire y ruido. f) Suministro de energía y su disponibilidad. g) Facilidad de sobrecalentamiento del metal. h) Tipo de material de carga que es posible utilizar. COMPROBACIÓN DE LAS PIEZAS Las piezas después del desmoldeo y antes de ser entregadas a los clientes deben ser sometidas a una aprobación, esto es, a una cuidadosa verificación y comprobación de las propiedades mecánicas y tecnológicas requeridas. Uno de los proceso de comprobación puede ser a través de las pruebas o ensayos no Destructivos. El primer ensayo que se realiza es el visual para descubrir defectos groseros o notorios, como superficies rugosas, rechupes, sopladuras, y desalineamientos, roturas y en general defectos observables a simple vista.

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Procesos de Fundición de Metales Pruebas No Destructivas (PND)

Como su nombre lo indica, las PND son pruebas o ensayos de carácter NO destructivo, que se realizan a los materiales, ya sean éstos metales, plásticos (polímeros), cerámicos o compuestos. Este tipo de pruebas, generalmente se emplea para determinar cierta característica física o química del material en cuestión. Las principales aplicaciones de las PND las encontramos en: •

Detección de discontinuidades (internas y superficiales).

•

Determinación de composición química.

•

Detección de fugas.

•

Medición de espesores y monitoreo de corrosión.

•

Adherencia entre materiales.

•

Inspección de uniones soldadas.

Las PND son sumamente importantes en él continúo desarrollo industrial. Gracias a ellas es posible, por ejemplo, determinar la presencia defectos en los materiales o en las soldaduras de equipos tales como recipientes a presión, en los cuales una falla catastrófica puede representar grandes pérdidas en dinero, vida humana y daño al medio ambiente. Tipo de Prueba Inspección Visual Líquidos Penetrantes Pruebas Magnéticas Ultrasonido Pruebas Radiográficas Pruebas Electromagnéticas Pruebas de Fuga Emisión Acústica Pruebas Infrarrojas

Abreviación en Español IV LP PM UT RX PE PF EA PI Inspección visual

La inspección visual (IV), es sin duda una de las Pruebas No Destructivas (PND) más ampliamente utilizada, ya que gracias a esta, uno puede obtener información rápidamente, de la condición superficial de los materiales que se estén inspeccionando, con el simple uso del ojo humano.

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Durante la IV, en muchas ocasiones, el ojo humano recibe ayuda de algún dispositivo óptico, ya sea para mejorar la percepción de las imágenes recibidas por el ojo humano (anteojos, lupas, etc.) o bien para proporcionar contacto visual en áreas de difícil acceso, tal es el caso de la IV del interior de tuberías de diámetro pequeño, en cuyo caso se pueden utilizar boroscopios, ya sean estos rígidos o flexibles, pequeñas videocámaras, etc. Es importante marcar que, el personal que realiza IV debe tener conocimiento sobre los materiales que esté inspeccionando, así como también, del tipo de irregularidades o discontinuidades a detectar en los mismos. Con esto, podemos concluir que el personal que realiza IV debe tener cierto nivel de experiencia en la ejecución de la IV en cierta aplicación. Líquidos Penetrantes El método o prueba de líquidos penetrantes (LP), se basa en el principio físico conocido como "Capilaridad" y consiste en la aplicación de un líquido, con buenas características de penetración en pequeñas aberturas, sobre la superficie limpia del material a inspeccionar. Una vez que ha transcurrido un tiempo suficiente, como para que el líquido penetrante recién aplicado, penetre considerablemente en cualquier abertura superficial, se realiza una remoción o limpieza del exceso de líquido penetrante, mediante el uso de algún material absorbente (papel, trapo, etc.) y, a continuación se aplica un líquido absorbente, comúnmente llamado revelador, de color diferente al líquido penetrante, el cual absorberá el líquido que haya penetrado en las aberturas superficiales. Por consiguiente, las áreas en las que se observe la presencia de líquido penetrante después de la aplicación del líquido absorbente, son áreas que contienen discontinuidades superficiales (grietas, perforaciones, etc.) En general, existen dos principales técnicas del proceso de aplicación de los LP: la diferencia entre ambas es que, en una se emplean líquidos penetrantes que son visibles a simple vista ó con ayuda de luz artificial blanca y, en la segunda, se emplean líquidos penetrantes que solo son visibles al ojo humano cuando se les observa en la oscuridad y utilizando luz negra o ultravioleta, lo cual les da un aspecto fluorescente. Estas dos principales técnicas son comúnmente conocidas como: Líquidos Penetrantes Visibles y Líquidos Penetrantes Fluorescentes. Cada una de estas, pueden a su vez, ser divididas en tres subtécnicas: aquellas en las que se utiliza líquidos removibles con agua, aquellas en las que se utiliza líquidos removibles con solvente y aquellas en las que se utilizan líquidos postemulsificables. Cada una de las técnicas existentes en el método de LP, tiene sus ventajas, desventajas y sensibilidad asociada. En general, la elección de la técnica a utilizar dependerá del material en cuestión, el tipo de discontinuidades a detectar y el costo. En la siguiente tabla se muestran las técnicas de aplicación de los LP.

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Técnica Sub-Técnica Líquidos Visibles Lavables con agua Lavables son solvente Post-emulsificables Líquidos Fluorescentes Lavables con agua Lavables son solvente Post-emulsificables Las pruebas con tintas penetrantes para determinar fisuras o discontinuidades abiertas a la superficie. PRUEBAS MAGNÉTICAS Este método de Prueba No Destructiva, se basa en el principio físico conocido como Magnetismo, el cual exhiben principalmente los materiales ferrosos como el acero y, consiste en la capacidad o poder de atracción entre metales. Es decir, cuando un metal es magnético, atrae en sus extremos o polos a otros metales igualmente magnéticos o con capacidad para magnetizarse. De acuerdo con lo anterior, si un material magnético presenta discontinuidades en su superficie, éstas actuarán como polos, y por tal, atraerán cualquier material magnético o ferromagnético que esté cercano a las mismas. De esta forma, un metal magnético puede ser magnetizado local o globalmente y se le pueden esparcir sobre su superficie, pequeños trozos o diminutas Partículas Magnéticas y así observar cualquier acumulación de las mismas, lo cual es evidencia de la presencia de discontinuidades sub-superficiales y/o superficiales en el metal.

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Este método de PND está limitado a la detección de discontinuidades superficiales y en algunas ocasiones sub-superficiales. Así mismo, su aplicación también se encuentra limitada por su carácter magnético, es decir, solo puede ser aplicada en materiales ferromagnéticos. Aún así, este método es ampliamente utilizado en el ámbito industrial y algunas de sus principales aplicaciones las encontramos en: •

El control de calidad o inspección de componentes maquinados.

•

La detección discontinuidades en la producción de soldaduras.

•

En los programas de inspección y mantenimiento de componentes críticos en plantas químicas y petroquímicas (Recipientes a presión, tuberías, tanques de almacenamiento, etc.)

•

La detección de discontinuidades de componentes sujetos a cargas cíclicas (Discontinuidades por Fatiga).

En general, existen dos principales medios o mecanismos mediante los cuales se puede aplicar las partículas magnéticas, estos son: vía húmeda y vía seca. Cuando las partículas se aplican en vía húmeda, éstas normalmente se encuentran suspendidas en un medio líquido tal como el aceite o el agua. En la aplicación de las partículas magnéticas vía seca, éstas se encuentran suspendidas en aire. Así mismo, existen dos principales tipos de partículas magnéticas: aquellas que son visibles con luz blanca natural o artificial y aquellas cuya observación debe ser bajo luz negra o ultravioleta, conocidas comúnmente como partículas magnéticas fluorescentes. Cada medio de aplicación (húmedo o seco) y cada tipo de partículas magnéticas (visibles o fluorescentes) tienen sus ventajas y desventajas. El medio y el tipo de partículas a utilizar lo determinan distintos factores entre ellos podemos enunciar: el tamaño de las piezas a inspeccionar, el área a inspeccionar, el medio ambiente bajo el cual se realizará la prueba, el tipo de discontinuidades a detectar y el costo. El personal que realiza este tipo de pruebas, generalmente realiza un análisis de los factores anteriores para determinar cuál es el medio y tipo optimo de partículas magnéticas a utilizar para cierta aplicación específica. Otro factor importante a considerar, es la forma o mecanismo mediante el cual se magnetizarán las piezas o el área a inspeccionar, lo cual puede conseguirse de distintas formas, ya sea mediante el uso de un yugo electromagnético, puntas de contacto, imanes permanentes, etc.Pruebas con partículas magnéticas para detectar fisuras superficiales o subsuperficiales en materiales ferromagnéticos. ULTRASONIDO Ing. Patricio Quezada M.

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El método de Ultrasonido se basa en la generación, propagación y detección de ondas elásticas (sonido) a través de los materiales. En la figura , se muestra un sensor o transductor acústicamente acoplado en la superficie de un material. Este sensor, contiene un elemento piezo-eléctrico, cuya función es convertir pulsos eléctricos en pequeños movimientos o vibraciones, las cuales a su vez generan sonido, con una frecuencia en el rango de los megahertz (inaudible al oído humano). El sonido o las vibraciones, en forma de ondas elásticas, se propaga a través del material hasta que pierde por completo su intensidad ó hasta que topa con una interfase, es decir algún otro material tal como el aire o el agua y, como consecuencia, las ondas pueden sufrir reflexión, refracción, distorsión, etc. Lo cual puede traducirse en un cambio de intensidad, dirección y ángulo de propagación de las ondas originales.

De esta manera, es posible aplicar el método de ultrasonido para determinar ciertas características de los materiales tales como:

•

Velocidad de propagación de ondas.

•

Tamaño de grano en metales.

•

Presencia de discontinuidades (grietas, poros, laminaciones, etc.)

•

Adhesión entre materiales.

•

Inspección de soldaduras.

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Medición de espesores de pared.

Como puede observarse, con el método de ultrasonido es posible obtener una evaluación de la condición interna del material en cuestión. Sin embargo, el método de ultrasonido es más complejo en práctica y en teoría, lo cual demanda personal calificado para su aplicación e interpretación de indicaciones o resultados de prueba RADIOGRAFÍA La radiografía como método de prueba no destructivo, se basa en la capacidad de penetración que caracteriza principalmente a los Rayos X y a los Rayos Gama. Con este tipo de radiación es posible irradiar un material y, si internamente, este material presenta cambios internos considerables como para dejar pasar, o bien, retener dicha radiación, entonces es posible determinar la presencia de dichas irregularidades internas, simplemente midiendo o caracterizando la radiación incidente contra la radiación retenida o liberada por el material. Comúnmente, una forma de determinar la radiación que pasa a través de un material, consiste en colocar una película radiográfica, cuya función es cambiar de tonalidad en el área que recibe radiación. Este mecanismo se puede observar más fácilmente en la figura de abajo. En la parte de arriba se encuentra una fuente radiactiva, la cual emite radiación a un material metálico, el cual a su vez presenta internamente una serie de poros, los cuales por contener aire o algún otro tipo de gas, dejan pasar más cantidad de radiación que en cualquier otra parte del material. El resultado queda plasmado en la película radiográfica situada en la parte inferior del material metálico.

Como puede observarse el método de radiografía es sumamente importante, ya que nos permite obtener una visión de la condición interna de los materiales. De aquí que sea ampliamente utilizada en aplicaciones tales como: •

Medicina.

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•

Evaluación de Soldaduras.

•

Control de calidad en la producción de diferentes productos.

•

Otros

Sin embargo, este método también tiene sus limitaciones. El equipo necesario para realizar una prueba radiográfica puede representar una seria limitación si se considera su costo de adquisición y mantenimiento. Más aún, dado que en este método de prueba se manejan materiales radiactivos, es necesario contar con un permiso autorizado para su uso, así como también, con detectores de radiación para asegurar la integridad y salud del personal que realiza las pruebas radiográficas PRUEBAS ELECTROMAGNÉTICAS Las pruebas electromagnéticas se basan en la medición o caracterización de uno o más campos magnéticos generados eléctricamente e inducidos en el material de prueba. Distintas condiciones, tales como discontinuidades o diferencias en conductividad eléctrica pueden ser las causantes de la distorsión o modificación del campo magnético inducido. La técnica más utilizada en el método electromagnético es la de Corrientes de Eddy. Esta técnica puede ser empleada para identificar una amplia variedad de condiciones físicas, estructurales y metalúrgicas en materiales metálicos ferromagnéticos y en materiales no metálicos que sean eléctricamente conductores. De esta forma, la técnica se emplea principalmente en la detección de discontinuidades superficiales. Sus principales aplicaciones se encuentran en la medición o determinación de propiedades tales como la conductividad eléctrica, la permeabilidad magnética, el tamaño de grano, dureza, dimensiones físicas, etc., también sirve para detectar, traslapes, grietas, porosidades e inclusiones. Este tipo de pruebas ofrecen la ventaja de que los resultados de prueba se obtienen casi en forma instantánea, además dado que lo único que se requiere es inducir un campo magnético, no hay necesidad de tener contacto directo con el material de prueba, con esto se minimiza la posibilidad de causar algún daño al material de prueba. Sin embargo, la técnica está limitada a la detección de discontinuidades superficiales y a materiales conductores. PRUEBAS DE FUGA Las pruebas de detección de fugas son un tipo de prueba no destructiva que se utiliza en sistemas o componentes presurizados o que trabajan en vacío, para la detección, localización de fugas y la medición del fluido que escapa por éstas. Las fugas son orificios que pueden presentarse en forma de grietas, fisuras, hendiduras, etc., donde puede recluirse o escaparse algún fluido.

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La detección de fugas es de gran importancia, ya que una fuga puede afectar la seguridad o desempeño de distintos componentes y reducen enormemente su confiabilidad. El propósito de estas pruebas es asegurar la confiabilidad y servicio de componentes y prevenir fallas prematuras en sistemas que contienen fluidos trabajando a presión o en vació. Los componentes o sistemas a los cuales generalmente se les realiza pruebas de detección fugas son: Recipientes y componentes herméticos Para prevenir la entrada de contaminación o preservar internamente los fluidos contenidos. Por ejemplo: dispositivos electrónicos, circuitos integrados, motores y contactos sellados. Sistemas herméticos Para prevenir la pérdida de los fluidos contenidos. Por ejemplo: sistemas hidráulicos y de refrigeración; en la industria petroquímica: válvulas, tuberías y recipientes. Recipientes y componentes al vacío Para asegurar si existe un deterioro rápido del sistema de vacío con el tiempo. Por ejemplo: tubos de rayos catódicos, artículos empacados en vacío y juntas de expansión. Sistemas generadores de vacío Para asegurar que las fugas se han minimizado y mejorar su desempeño. Las pruebas de fuga comúnmente utilizadas se basan en uno o más de los siguientes principios: TIPOS DE PRUEBAS DE FUGA Ultrasonido Este ensayo comúnmente se aplica en la detección de fugas de gas en líneas de alta presión. Dependiendo de la naturaleza de la fuga, el gas al escapar, produce una señal ultrasónica que puede detectarse con una sensibilidad aproximada de 10-3 cm3/s. Por Burbujeo Este ensayo se basa en el principio de generación o liberación de aire o gas de un contenedor, cuando este se encuentra sumergido en un líquido. Se emplean frecuentemente en instrumentos presurizados, tuberías de proceso y recipientes. Es una prueba más bien cualitativa que cuantitativa, ya que es difícil determinar el volumen de la fuga. Ing. Patricio Quezada M.

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Por Tintas Penetrantes Consiste en rociar tintas penetrantes en las zonas de alta presión donde se desea detectar fugas. Si existe alguna fuga, la presión diferencial del sistema hará filtrar la tinta hacia el lado de baja presión del espécimen ensayado. Por Medición de Presión Este tipo de prueba se utiliza para determinar si existen flujos de fuga aceptables, determinar si existen condiciones peligrosas y para detectar componentes y equipo defectuoso. Se puede obtener una indicación de fuga relativamente exacta al conocer el volumen y presión del sistema y los cambios de presión respecto al tiempo que provoca la fuga. Algunas ventajas de este método son que se puede medir el flujo total de la fuga independientemente del tamaño del sistema y que no es necesario utilizar fluidos trazadores. Por Detección de Halógenos (Diodo de Halógeno) Este tipo de prueba es más sensitivo que los anteriores. Fugas tan pequeñas como 10-5 cm3/s pueden detectarse con facilidad. Las dos limitantes de este ensayo son que se necesitan gases de trazado especiales y el uso de calentadores de alta temperatura, lo cual resulta inconveniente en ambientes peligrosos. Por Espectrómetro de Helio Se considera la técnica de detección de fugas, tanto industrial como de laboratorio, más versátil. Tiene las mismas limitantes que el ensayo por detección de halógenos porque se requiere de helio como gas de trazado y, el tubo del espectrómetro se mantiene a alta temperatura mediante filamentos calefactores. Sin embargo, el helio es completamente inerte y menos caro que los gases halógenos. La sensibilidad es del orden de 10-11 cm3/s. Con Radioisótopos trazadores En esta técnica se utilizan radioisótopos de vida corta como fluidos trazadores para probar cavidades selladas herméticamente y circuitos cerrados de tubería. La pérdida de flujo o la detección del gas trazador en sitios no esperados son la evidencia de fuga. Esta técnica tiene la misma sensibilidad que el ensayo por Espectrómetro de Helio, aunque es más caro y es necesario establecer medidas de seguridad adecuadas debido a la radiación. La selección del método a utilizar generalmente se basa en el tipo de fuga a detectar, el tipo de servicio del componente en cuestión y el costo de la prueba. En cualquier caso es necesario, al igual que en otros métodos de pruebas no destructivas, que el personal que las realice este calificado en la aplicación de las mismas

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Procesos de Fundición de Metales EMISIÓN ACÚSTICA

Hoy en día, uno de los métodos de pruebas no destructivas más recientes y, que ha venido teniendo gran aplicación a nivel mundial en la inspección de una amplia variedad de materiales y componentes estructurales, es sin duda el método de Emisión Acústica (EA). Este método detecta cambios internos en los materiales o dicho de otra manera, detecta micro-movimientos que ocurren en los materiales cuando por ejemplo: existe un cambio micro-estructural, tal como lo son las transformaciones de fase en los metales, el crecimiento de grietas, la fractura de los frágiles productos de corrosión, cedencia, deformación plástica, etc. La detección de estos mecanismos mediante EA, se basa en el hecho de que cuando ocurren, parte de la energía que liberan es transmitida hacia el exterior del material en forma de ondas elásticas (sonido), es decir, emiten sonido (emisión acústica). La detección de estas ondas elásticas se realiza mediante el uso de sensores piezo-eléctricos, los cuales son instalados en la superficie del material. Los sensores, al igual que en el método de ultrasonido, convierten las ondas elásticas en pulsos eléctricos y los envía hacia un sistema de adquisición de datos, en el cual se realiza el análisis de los mismos (ver figura abajo). RAYOS INFRARROJOS La principal técnica empleada en las pruebas infrarrojas es la Termografía Infrarroja (TI). Esta técnica se basa en la detección de áreas calientes o frías mediante el análisis de la parte infrarroja del espectro electromagnético. La radiación infrarroja se transmite en forma de calor mediante ondas electromagnéticas a través del espacio. De esta forma, mediante el uso de instrumentos capaces de detectar la radiación infrarroja, es posible detectar discontinuidades superficiales y sub-superficiales en los materiales. Generalmente, en la técnica de TI se emplean una o más cámaras que proporcionan una imagen infrarroja (termograma), en cual las áreas calientes se diferencian de las áreas frías por diferencias en tonalidades De esta forma uno puede obtener un termograma típico de una pieza o componente sin discontinuidades. Posteriormente, si hubiese alguna discontinuidad, ésta interrumpirá el flujo o gradiente térmico normal, lo cual será evidente en el termograma. La técnica de TI ofrece grandes ventajas: no se requiere contacto físico, la prueba se efectúa con rapidez incluso en grandes áreas, los resultados de la prueba se obtienen en forma de una imagen o fotografía, lo cual agiliza la evaluación de los mismos. En general, existen dos principales técnicas de TI: La termografía pasiva y la termografía activa. Termografía

Consiste

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en

simplemente Fundición

obtener

un

termograma ESPE- 2009

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Pasiva

Termografía Activa

Procesos de Fundición de Metales componente en cuestión, sin la aplicación de energía. El componente por si mismo proporciona la energía para generar la imagen infrarroja. Ejemplos de la aplicación de ésta técnica los encontramos por ejemplo en la evaluación de un motor funcionando, maquinaria industrial, conductores eléctricos, etc. En esta técnica, para obtener un termograma, es necesario inducir cierta energía al material o componente en cuestión. Muchos componentes, dadas sus condiciones de operación y servicio, son evaluados en forma estática o a temperatura ambiente, lo cual da lugar a que el termograma que se obtenga, presente un patrón o gradiente térmico uniforme, es en este tipo de situaciones en que la termografía activa tiene uso. Así, esta técnica puede ser empleada en la detección de laminaciones o inclusiones, las cuales representan variaciones en conducción de calor y por lo tanto son evidentes en el termograma.

Hoy en día la termografía infrarroja se utiliza exitosamente en numerosas aplicaciones, entre las cuales podemos nombrar: discontinuidades subsuperficiales y superficiales como la corrosión, resistencia eléctrica, inclusiones, pérdida de material, grietas, esfuerzos residuales, deficiencias en espesores de recubrimiento, etc. El principal inconveniente puede ser el costo del equipo. Sin embargo, los resultados se obtienen rápidamente y la evaluación es relativamente sencilla, por lo que no se requiere mucho entrenamiento en el uso y aplicación de la técnica Pruebas por medio de Radiografía Industrial y Ultrasonido para detectar fisuras, inclusiones, porosidades internas en diferentes tipos de materiales, donde podemos cuantificar la profundidad del defecto. Después de realizar estas pruebas podemos certificar la calidad de la fundición, así como también el porcentaje de piezas defectuosas y realizar nuevamente el proceso de fundición. En toda empresa que se dedique al proceso de fundición deben poner suma atención a la eliminación o al menos reducir al máximo el porcentaje de piezas con defectos ya que esto representa una pérdida de tiempo, materiales y dinero. Para remediar estas situaciones todas las piezas con defectos son recogidas, analizadas y examinadas por los jefes responsables interesados en: a) Diagnosticar los defectos b) Eliminar las causas que los han provocado. c) Evaluar pesos y formas de las piezas fundidas. El diagnostico de los defectos es una labor muy ardua que requiere vasta experiencia amplios conocimientos de métodos, herramientas, y capacitación al personal de la empresa. Es importante recordar que el control de calidad de una pieza fundida, tiene si inicio en el mismo momento que elaboramos el proyecto inicial de la misma.

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Un control de calidad bien llevado en una fundición trae grandes beneficios para la empresa como son:  Producción de piezas fundidas dentro de los niveles de calidad preestablecidos.  Asegura la confianza en el producto y garantiza la reputación del fabricante.  Aumenta los ingresos en la empresa. Los defectos son numerosos puesto que cada uno puede ser provocado por muchas causas DEFECTOS DE FUNDICIÓN Existen algunos defectos de fundición en cada uno de los procesos que se los describe a continuación: 1.

Llenado incompleto, este defecto aparece en una fundición que solidificó antes de completar el llenado de la cavidad del molde. Las causas típicas incluyen 1) fluidez insuficiente del metal fundido, 2) baja temperatura de vaciado, 3) vaciado que se realiza lentamente, y 4) sección transversal de la cavidad del molde muy delgada.

2.

Junta fría, aparece cuando dos porciones del metal fluyen al mismo tiempo, pero hay una falta de fusión entre ellas debido a la solidificación o enfriamiento prematuro, sus causa son similares a las de llenado incompleto.

3.

Metal granoso o gránulos frío, aparecen las salpicaduras durante el vaciado haciendo que se formen glóbulos de metal que quedan atrapados en la fundición.

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4.

Cavidad por contracción, es una depresión de la superficie o un hueco interno en la fundición debido a la contracción por solidificación que restringe la cantidad de metal fundido disponible en la última región que solidifica, esto ocurre cerca de la parte superior de la fundición llamada también como rechupe, corrigiendo este defecto con un correcto diseño de la mazarota.

5.

Microporosidad, son unos pequeños huecos distribuidos a través de la fundición, debido a la contracción por solidificación.

6.

Desgarramiento el caliente, llamado también agrietamiento en caliente, ocurre cuando un molde que no cede durante las etapas finales de la solidificación, se manifiesta como una separación del metal en un punto

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donde existe una alta concentración de esfuerzos causada por indisponibildad del metal para contraerse naturalmente.

Algunos defectos se relacionan con el uso de molde de arena , por lo tanto solo ocurren en la fundición en arena y en otros procesos de moldeo pero en muy bajo porcentaje. 7.

Sopladuras. Este defecto es una cavidad de gas en forma de pelota causada por un escape de gases del molde durante el vaciado. Ocurre en la parte superior de las fundiciones o cerca de ella. La baja permeabilidad, pobre ventilación y el alto contenido de humedad en la arena del molde son las principales causas.

8.

Puntos de Alfiler. Es un defecto similar al de las sopladuras que involucra la formación de numerosas cavidades pequeñas de gas en la superficie de la fundición o ligeramente por debajo de ella.

9.

Caídas de arena. Este defecto provoca una irregularidad en la superficie de la fundición, que resulta de la erosión del molde de arena durante el vaciado. El contorno de la erosión se imprime en la superficie de la fundición final.

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10.

Costras. Son áreas rugosas en la superficie de la fundición debidas a la incrustación de arena y metal, éstas son causadas por desprendimientos de la superficie del molde que se descascaran durante la solidificación y quedan adheridas a la superficie de la fundición.

11.

Penetración. Cuando la fluidez del metal líquido es muy alta, éste puede penetrar en el molde o en el corazón de arena. Después de la solidificación, la superficie de la fundición presenta una mezcla de granos de arena y metal. Una mejor compactación del molde de arena ayuda a evitar este defecto.

12.

Corrimiento del molde. Se manifiesta como un escalón en el plano de separación del producto fundido, causado por el desplazamiento lateral del semimolde superior con respecto al inferior.

13.

Corrimiento del corazón. Un movimiento similar puede suceder con el corazón pero el desplazamiento es generalmente vertical. El corrimiento del corazón y del molde son causados por la flotación del metal fundido.

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14.

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Molde agrietado (venas y relieve). Si la resistencia del molde es insuficiente, se puede desarrollar una grieta en la que el metal líquido puede entrar para formar una aleta en la fundición final.

SEGURIDAD EN LAS FUNDIDORAS

La seguridad en las fundidoras es un factor muy importante a la hora de hacer un análisis del proceso de fundición. Entre otros factores tenemos los siguientes: El polvo de la arena y otros compuestos utilizados en el colado. Es necesario acondicionar una ventilación adecuada y equipo de seguridad personal. Los gases provenientes de los metales fundidos así como las salpicaduras durante las transferencias y el vaciado en los moldes. La presencia de combustibles para los hornos, el control de su presión y la operación correcta de válvulas. La presencia de agua y humedad en crisoles, moldes y otros sitios de planta, ya que rápidamente se transforma en vapor creando un severo peligro de explosión. El manejo inadecuado de fundentes que son higroscópicos y son un peligro al absorber humedad. Inspección de equipo, como los pirómetros en función de su precisión y calibración adecuadas. Ing. Patricio Quezada M.

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La necesidad de un adecuado equipo de seguridad personal, guantes, delantales, batas, cobertores faciales, y zapatos de seguridad.

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BIBLIOGRAFIA J DUPONCHELLE Manual del Fundidor de Metales, GUSTAVO GIL EDITOR BARCELONA ESPAÑA. 1932. KALPAKJIAN SEROPE Manufactura, Ingeniería y Tecnología. Edición Pearson Educación, Cuarta Edición 2002. MALISHEV Tecnología de los Metales, Editorial MIR Moscú 1983. APRAIZ BARREIRO JOSE Fundiciones 6ª Edición 1998EDOARDO CAPELO Tecnologia de la Fundición DOYLE LAWRENCE , KEYSER CARL Materiales y Procesos de Manufactura Para Ingenieros Tercera Edición 1998. SCHEY JOHN Procesos de Manufactura, Tercera edición 2002. CEMBRERO G JESUS, Ciencia y Tecnología de los Materiales. Pearson Prentice Hill 2005 www.google.com/ fundición metales no ferrosos.

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