UNIDAD III: FUNDICION Términos obligatorios para el glosario:

• Macho o noyo, moldeo por CO2, microsegregación, número de Reynolds, bebedero, mazarota, caja de moldeo, fundición a presión, proceso a la cera perdida, fundición maleable, línea de partición, bentonita.

3.1 Descripción de procesos de fundición:

Fundición: moldes, fundición en moldes permanentes. Modelos. Tipos de hornos. Secuencia y fabricación

Se han obtenido evidencias que hace 4000 años se usaban técnicas de fundición para producir objetos a partir del cobre y del oro. La tecnología ha evolucionado muchísimo al incorporar diferentes aleaciones, algunas con punto de fusión muy alto o fácilmente oxidables, agregando también diferentes técnicas de moldeo, conociendo las causas de los defectos en las piezas fundidas para hacer lograr series de producción con bajo índice de rechazo, mejorando los diseños de modelos para lograr piezas que antes se creían imposibles de hacer por fundición. Este proceso permite producir piezas volumétricas, es decir, materiales con formas muy variadas, desde muy pequeñas hasta enormes, ejemplos claros son las piezas de orfebrería entre las pequeñas y los bloques de motores marinos entre las muy grandes. Se puede considerar el crecimiento de monocristales para fabricar chips electrónicos como un proceso de fundición. Establecer en clase ejemplos de piezas producidas por fundición. Clasificación según el tipo de molde:

• De molde desechable o En arena o En coquilla (o cáscara) o De modelo desechable o De yeso o De cerámica o A la cera perdida (de revestimiento)

• De molde permanente o En molde duro o Fundición en vacío o Fundición hueca o Fundición a presión o Fundición centrífuga

Enlaces de videos:

• http://www.youtube.com/watch?v=Mkor04VbGk0 vista general de la fundición • http://www.youtube.com/watch?v=z_HOyq1Mzso&feature=related preparación de

molde de arena • http://www.youtube.com/watch?v=9g_JfhjcBAU&feature=related colada de aluminio • http://www.youtube.com/watch?v=J9ILTJBZXRs&feature=endscreen&NR=1 moldeo al CO2 • http://www.youtube.com/watch?v=yFwhOi3vnJk&feature=related molde permanente • http://www.youtube.com/watch?v=4FLWYwframg fundición en coquilla • http://www.youtube.com/watch?v=mzdDCq1QPoA&feature=endscreen&NR=1 moldeo en

verde • http://www.youtube.com/watch?v=L2GsOASjs4w&feature=related preparación de noyos • http://www.youtube.com/watch?v=ii1Ous2jwB0&feature=endscreen&NR=1 fabricación

de una campana • http://www.youtube.com/watch?v=‐5SoeEe‐GBE&feature=related fundición centrífuga • http://www.youtube.com/watch?NR=1&v=FAh5DTebL5k&feature=endscreen cera

perdida

Los pasos básicos para un proceso de fundición son: • Preparar el molde con la pieza a producir • Fundir el metal • Colar en el molde • Desmoldar • Darle acabado a la pieza

Preparación del molde. Dependiendo de las características de la pieza (tamaño, forma, metal a emplear) y de la cantidad a producir se selecciona la técnica de moldeo que se empleará. Para piezas de poca cantidad por colada es preferible el moldeo en arena. Para piezas de gran cantidad y todas iguales es preferible un molde permanente, si el metal a emplear lo permite. Para el moldeo en arena se toma un modelo y se reproduce su forma dentro de una caja llena de arena. Se usa arena sílice fina, mezclada con un aglomerante generalmente bentonita y agua. El modelo puede ser la misma pieza a colar. Cuando la cantidad de piezas aumenta, se prefiere preparar un modelo en madera o aluminio. Los modelos se construyen dividiendo la pieza en dos mitades para hacer una media cara en cada caja de moldeo. A la cavidad dejada por el modelo se le agrega el sistema de alimentación formado por los canales de alimentación, el bebedero y las mazarotas (ver figura). Cuando la pieza requiere un espacio vacío en su interior, se agregan piezas formadas con arena llamadas machos o noyos, los cuales permitirán crear la cavidad necesaria. Estos machos se destruyen al desmoldear la pieza.

Para algunas aplicaciones se puede usar una resina epóxica en lugar de la bentonita para aglomerar la arena.

1 pieza a fundir 2 y 3 mazarotas 4 canal de alimentación 5 bebedero

Para preparar los machos y para otras aplicaciones se usa un aglomerante a base de silicatos que endurece por aplicación de CO2. En todos los casos los moldes deben tener puntos de salida del aire y gases. Los moldes permanentes se pueden hacer de acero, aluminio, o cualquier otro material apropiado. Se pueden usar con máquinas automáticas como en el caso de la fundición a presión o mediante procesos manuales o semiautomáticos de colada. En todos los casos se usan productos que impidan que el metal colado se adhiera a la arena o a la pared del molde, llamados agentes desmoldeantes. Pueden ser a base de talco, grafito, arena finamente molida, o cualquier otro que la astucia o la tecnología haya desarrollado. Fusión del metal. Se procede a fundir la aleación que se va a colar, la temperatura de colada debe ser entre 100 y 300 grados por encima del punto de fusión de la aleación, dependiendo del tamaño de la pieza, la distancia entre el horno y el punto de colada, la cantidad de metal a colar, las operaciones antes de colada que se deban realizar. Antes de colar se deben eliminar las escorias y los gases del metal fundido. Colada en el molde. Se procede luego a vaciar el metal en el molde hasta llenarlo completamente. El proceso de vaciado debe ser regular para lograr una circulación del fluido en régimen laminar. La generación de turbulencias puede ocasionar la erosión de los moldes de arena o la creación de cavidades en los moldes permanentes. El molde debe permanecer estable durante el proceso de solidificación del metal, por lo menos hasta que logre la condición pastosa. La velocidad de enfriamiento del molde va a condicionar fuertemente la estructura cristalina de la pieza colada. Desmoldeado. Luego del enfriamiento el molde se abre y se retira la pieza colada. Si el molde era de arena generalmente la misma se recicla. Si el molde es permanente se alista para la próxima colada. Se retira la pieza colada que generalmente trae conectado el sistema de alimentación. Acabado final. El último paso es darle el acabado final retirando el sistema de alimentación, los restos de arena que pueda tener adheridos, eliminando rebabas de la línea de unión de los moldes y realizando las operaciones de mecanizado pertinentes. TIPOS DE HORNOS. Para el proceso de fundición se usan diferentes tipos de hornos:

• Según el combustible: a gas, gasoil, eléctricos (a inducción, resistencia, de arco), coque. • Según el tipo de crisol: de hierro, de grafito, de carburo de silicio, de ladrillo refractario • Según el tipo de vaciado: basculante o fijo.

La tecnología a emplear dependerá del metal a fundir (temperatura de fusión, reactividad), la cantidad de metal a fundir (tonelaje), fuente de energía disponible, costos de producción. Los más empleados a nivel industrial son los hornos a gas y los hornos de inducción. En los hornos a gas el combustible permite calentar la carga por medio de uno o más quemadores, la carga se aloja en crisoles alrededor de los cuales suben los gases calientes en forma de vórtice, generalmente son rápidos y eficientes pero se limitan por la cantidad de metal que pueden fundir y por la temperatura que alcanzan. Su diseño sirve para fundir hasta 30 kilos de metal, con temperaturas de trabajo hasta 1100 ºC. Si se usa gas butano puede alcanzar los 1300 ªC.

El horno de inducción usa la energía eléctrica que pasa por una bobina para calentar la carga, alojada en un crisol formado por material refractario. La corriente eléctrica que circula por la bobina induce una corriente eléctrica en la carga la cual se funde por el calor que se genera por el efecto Joule. Pueden alcanzar los 1600 ªC lo que les permite fundir casi todas las aleaciones comerciales (aceros, fundiciones, aleaciones de cobre o de aluminio). Pueden fundir hasta 5 toneladas de metal por lo que permite colar piezas de grandes dimensiones o abastecer una línea de colada mecanizada. Su tecnología es mucho más compleja que los hornos a gas y requieren de un buen sistema de enfriamiento para el sistema eléctrico.

3.2 Solidificación: Tolerancias en la fabricación de modelos. Tiempos y velocidades de solidificación. Solidificación de metales puros y eutécticos.

Tolerancias en la fabricación de modelos. Debido a sus características de dilatación térmica, los metales en general se contraen cuando se solidifican y enfrían. La contracción, que provoca cambios dimensionales y algunas veces agrietamiento, es consecuencia de tres eventos consecutivos:

1. Contracción del metal fundido antes de solidificar 2. Contracción del metal durante el cambio de fase líquido a sólido (calor latente de

fusión) 3. Contracción del metal luego de la solidificación hasta llegar a T ambiente.

La mayor contracción ocurre por el tercer fenómeno. Sin embargo hay metales que en lugar de contraerse se expanden, especialmente el hierro o fundición gris. Ello se debe a la aparición de grafito en láminas dentro de la matriz que provoca una dilatación mayor que la contracción térmica.

Solidificación de metales puros y eutécticos. La solidificación de un metal puro ocurre a temperatura constante, la temp. De fusión. En este fenómeno el metal desprende su calor latente de fusión (entalpía de fusión). El frente de solidificación (interfaz sólido‐líquido) avanza desde las paredes del molde hacia el centro a través del metal fundido. Al completarse la solidificación continúa el descenso de temperatura. En las figuras siguientes se muestra la estructura de grano de un metal puro solidificado en un molde cuadrado. Las paredes del molde que están más frías producen una zona de granos equiaxiales o cáscara, ya que el metal se enfría con rapidez. Ellos crecen en dirección contraria al flujo de calor. Los que tienen una orientación favorable crecen de manera preferencial y se les llama granos columnares. A medida que se avanza hacia el centro, los granos se vuelven equiaxiales y gruesos hasta chocar entre si.

La solidificación de aleaciones empieza cuando pasa debajo de la temperatura del líquidus y termina al bajar de la temperatura del solidus. El patrón de solidificación es dendrítico, con orientación perpendicular a las paredes del molde. La última porción de metal líquido se encuentra entre los brazos de las dendritas. El metal se encuentra en un estado blando o pastoso mientras ocurre la solidificación. Se define como rango de solidificación el intervalo de temperatura que va desde el líquidus al solidus Rs= TL – TS. Un rango estrecho es de unos 50 ºC y un rango ancho es de más de 110 ºC. Las fundiciones ferrosas tiene zonas pastosas estrechas y las aleaciones de aluminio y de magnesio tienen zonas amplias. En los puntos eutécticos, la solidificación ocurre de forma similar a un metal puro. Efecto de la velocidad de enfriamiento. Las velocidades de enfriamiento bajas (cerca de 100 º/seg) producen estructuras dendríticas gruesas con un gran espaciamiento de los brazos entre las dendritas. A velocidades mayores (del orden de 1000 º/seg) la estructura se vuelve fina, con espaciamiento menor entre los brazos de las dendritas. Para velocidades mayores (106 a 108 º/seg) se producen estructuras amorfas. Las estructuras desarrolladas y el tamaño de grano resultante afectan las propiedades de la fundición. Al disminuir el tamaño de grano aumentan la resistencia y la ductilidad de la aleación fundida, se reduce la microporosidad (huecos por contracción entre las dendritas) y reduce su tendencia al agrietamiento en caliente durante la solidificación. La falta de uniformidad del tamaño de grano y de su distribución produce fundiciones con propiedades anisotrópicas. Relación estructura‐ propiedad. En un enfriamiento ideal muy lento, las dendritas tienen composición uniforme en términos de contenidos de la aleación. Las condiciones reales son más rápidas y producen dendritas con núcleo de composición distinta al resto de la dendrita. Aparece un gradiente de concentración y la microsegregación: la superficie de la dendrita tiene una concentración de soluto mayor que el centro o que la base. La macrosegregación se debe a que el líquido que va quedando durante la solidificación tiene una concentración en soluto mayor que la dendrita. Esto provoca un cambio de concentración y por ende de estructura dentro de la pieza fundida a mayor escala. Los elementos o fases con menor punto de fusión se localizan en las últimas zonas solidificadas, generalmente en el centro de la pieza. También puede ocurrir una segregación por gravedad, si hay elementos con densidad muy diferente entre si: los más livianos se ubicarán en la superficie y los más pesados en el fondo de la pieza. Si la pieza lo requiere, se puede lograr una estructura de granos equiaxiales usando agentes nucleantes en la fundición. Son partículas que provocan la aparición de numerosos puntos de nucleación en toda la masa de la pieza fundida disminuyendo o anulando la aparición de dendritas. Mediante vibración mecánica se pueden romper los brazos de las dendritas permitiendo un mayor desarrollo de los granos equiaxiales más finos. Tarea: defectos de la fundición.

3.3 Diseño de moldes: Determinación de planos y líneas de participación. Diseño de canales de colada, cargadores y machos.

Para diseñar una pieza que va a ser fundida se debe tomar en cuenta:

• Las características geométricas, tolerancias, que deben incorporarse en la pieza

• Las características que debe tener el molde para producir la fundición deseada. Por lo general un diseño adecuado de una pieza fundida incluye los siguientes pasos:

1. Diseñar la parte de manera que la forma pueda fundirse con facilidad y que se minimicen los defectos causados durante la colada.

2. Seleccionar un proceso de fundición y un material apropiado para la parte, tamaño, propiedades mecánicas, costo, etc. Este paso va muy ligado con el anterior.

3. Localizar la línea de partición del molde 4. Localizar y diseñar los sistemas de alimentación que permitan llenar uniformemente la

cavidad del molde con el metal fundido, preferiblemente en régimen laminar 5. Localizar las características del molde: bebedero, filtros, mazarotas de la manera más

apropiada. 6. Establecer métodos de control y parámetros de proceso.

Se debe prestar atención a los siguientes puntos para el diseño de piezas fundidas:

• Esquinas, ángulos y espesores de sección. Deben evitarse en lo posible esquinas, ángulos y filetes agudos, pues actúan como concentradores de esfuerzos y pueden hacer que el metal y las matrices se agrieten o desgarren durante la solidificación. Los radios de los filetes deben seleccionarse para reducir las concentraciones de esfuerzos y asegurar el flujo apropiado de metal líquido durante el vaciado. Los radios van desde 3 mm hasta 25 mm. Si el radio del filete aumenta, aumenta el tiempo de solidificación por la mayor cantidad de metal en la zona. Los cambios de sección deben suavizarse al pasar de una sección a otra. Si puedes inscribir un círculo más grande en una parte de la sección estás en presencia de un eventual punto caliente. Estas regiones pueden crear cavidades por contracción y porosidad. (Fig. 12.2 c y d). Las cavidades por puntos calientes se pueden controlar mediante machos o noyos pequeños. Es importante mantener secciones transversales y espesores de pared uniformes hasta donde sea posible, a lo largo de toda la pieza, para evitar o minimizar las cavidades por contracción. Otra solución para evitar los puntos calientes consiste en agregar camisas metálicas o enfriadores de molde.

• Areas planas. Hay que evitar las áreas planas grandes (superficies lisas), ya que pueden distorsionarse durante el enfriamiento por los gradientes de temperatura o desarrollar un acabado superficial deficiente debido a un flujo disparejo de metal durante el vaciado. Una de las técnicas comunes para resolver esto consiste en dividir las superficies planas con costillas de refuerzo y serraciones.

• Contracción. Para evitar el agrietamiento de la fundición durante el enfriamiento, debe haber tolerancias a la contracción durante la solidificación. En fundiciones con costillas de refuerzo que se cruzan, pueden reducirse los esfuerzos de tensión alternando las costillas

o cambiando la geometría de la intersección. Las dimensiones del modelo también deben permitir la contracción del metal durante la solidificación y el enfriamiento.

• Angulo de salida. Por lo general se da un pequeño ángulo de salida (conicidad) en los modelos de moldes de arena, que permita extraer el modelo sin dañar el molde. Estos ángulos pueden ir de 0.5 a 2º.

• Tolerancias dimensionales. Dependen del proceso de fundición empleado, del tamaño de la fundición y del tipo de modelo empleado. Deben ser lo más amplias posibles sin exagerar porque aumenta el costo de la fundición por el aumento en la cantidad de material a colar.

• Letreros y marcas. Generalmente se agregan letreros o marcas en las superficies de las piezas fundidas. Pueden ser en alto o bajo relieve.

• Operaciones de acabado. Se deben tomar en cuenta para el diseño de las piezas, de manera que tengan zonas para agarrarlas en las máquinas herramientas, y suficiente material para el maquinado requerido.

Selección del proceso de fundición La siguiente tabla da buena orientación para seleccionar el proceso más adecuado.

Localización de la línea de partición. Esta es la línea que separa los dos moldes, su ubicación es determinante en la buena calidad de la pieza fundida. Las partes deben orientarse en los moldes de manera que la parte grande de la fundición está relativamente abajo y se minimice su altura. La orientación de la parte también determina la distribución de la porosidad. Por ejemplo, en la fundición de aluminio, el hidrógeno es soluble en el metal líquido pero no en el metal sólido. En consecuencia, durante la solidificación del aluminio pueden formarse burbujas de hidrógeno que flotarán hacia arriba, de modo que

habrá una mayor porosidad en las partes superiores de la pieza. Por lo tanto las superficies críticas deben orientarse para que queden con la cara hacia abajo. La línea de partición debe colocarse lo más bajo posible para los metales menos densos y casi a la mitad de la altura para los más densos. Sin embargo no debe permitirse que el metal fluya verticalmente, aparte del canal que tiene el bebedero. Además de los bebederos, mazarotas y canales, los moldes se pueden dotar de filtros para retener escoria, en estas el metal se hace fluir por la parte inferior del filtro para atrapar la escoria en la parte superior al estilo de una trampa de grasa. Localización y diseño de compuertas. Las compuertas son las conexiones entre los canales de alimentación y la pieza a fundir. Algunas consideraciones en el diseño de compuertas son:

• Con frecuencia son preferible y necesarias varias compuertas para piezas grandes. Esto permite una temperatura de vaciado inferior y reducir los gradientes térmicos.

• Las compuertas deben alimentar las secciones gruesas de la pieza.

• Se debe usar un filete en la zona donde la compuerta topa con la pieza, esto produce menos turbulencia que la conexión abrupta.

• El bebedero debe estar lo suficientemente separado de su compuerta más cercana para que se pueda separar fácilmente.

• La longitud de la compuerta debe ser de 3 a 5 veces su diámetro. La sección transversal debe ser lo suficientemente grande para permitir el llenado del molde pero más pequeña que la sección transversal del canal de alimentación. Diseños para evitar puntos calientes

Consideraciones de diseño en fundición

Diseño del ángulo del modelo