Métodos de moldeo: moldeo en arena

1. CUÁNDO USAR UN MOLDE DE ARENA

Temperatura del material líquido.

Resulta evidente que el molde debe soportar sin deterioro la carga líquida hasta que esta solidifique.

Si se trata de fundición en frío o de sustancias de bajo punto de fusión como la parafina, podrán utilizarse materiales comunes para la fabricación del molde, tales como plásticos, yeso etc., pero si el líquido a verter corresponde a metales fundidos, estos materiales comunes no podrán utilizarse y en su lugar se recurre a moldes metálicos para metales de bajo punto de fusión, o moldes de arena de sílice compactada para aquellos de alto punto de fusión.

Exactitud dimensional y de acabado superficial.

Cuando se requieren piezas muy exactas en dimensiones y/o de buen acabado superficial, estas características tendrán que tenerse en cuenta al fabricar el molde, en algunos casos será preciso un mecanizado muy exacto de las dimensiones y superficie de la oquedad interna (moldes metálicos o plásticos) o el recubrimiento interior con materiales que "alisan" la superficie (moldes de arena y yeso).

Tipo de tratamiento de terminación posterior.

Ciertos materiales como el hierro fundido, se endurecen mucho si se enfrían rápidamente, por lo que la mecanización posterior será un tanto menos que imposible, en estos casos los moldes deben construirse de manera que sean "un abrigo" al material fundido para que se enfríe lentamente o habrá que recurrir al enfriamiento en horno.

En otros casos es todo lo contrario, la pieza debe salir del molde sumamente dura, como en las ruedas de triturado de los molinos, en estos casos el molde se fabrica para que se enfríe rápidamente.

Cantidad de piezas.

Las características del molde dependen en mucho de la cantidad de piezas a fabricar, de este modo si son muy pocas piezas, el molde podrá ser fabricado manualmente de materiales de poca duración o desechables, mientras que si el lote de piezas a fabricar es grande lo mejor es utilizar moldes de múltiples usos, por ejemplo metálicos (de ser posible).

2. PROCESO GENERAL

La fundición en arena es, con mucho, el proceso de moldeo más importante. Para describir las características básicas del molde se usará un molde de fundición en arena. Muchas de estas características y términos se aplican también a los modelos de otros procesos de fundición. El

molde consiste en dos mitades: la tapa o semicaja o semimolde superior y la semicaja o semimolde inferior. Ambas están contenidas en la caja de moldeo, que también se divide en dos partes: una para cada parte del molde; las dos mitades del molde están separadas por el plano de separación

En la fundición en molde de arena (y otros procesos de molde desechable) la cavidad del molde se forma mediante un modelo de madera, metal, plástico u otro material (figura 2.4), que tiene la forma de la pieza que será fundida. La cavidad se forma al recubrir el modelo de ambas cajas con arena en partes iguales, de manera que al remover el modelo quede una cavidad que tenga la forma deseada de la pieza. El modelo se sobredimensiona para compensar la contracción del metal cuando éste se solidifica y enfría. La arena húmeda del molde contiene un aglomerante para mantener su forma.

La cavidad del molde proporciona las superficies externas de la fundición, pero además puede tener superficies internas, que se definen por medio de un corazón, el cual es una forma colocada en el interior de la cavidad del molde para formar la geometría interior de la pieza. En la fundición

en arena, los corazones se hacen generalmente de arena, aunque pueden usarse otros materiales como metales y cerámicos.

El sistema de vaciado en un molde de fundición es el canal o red de canales por donde fluye el metal fundido hacia la cavidad desde el exterior del molde. El sistema de vaciado consiste típicamente de un bebedero de colada (también llamado simplemente bebedero) a través del cual entra el metal a un canal de alimentación que conduce a la cavidad principal. En la parte superior del bebedero existe frecuentemente una copa de vaciado para minimizar las salpicaduras y la turbulencia del metal que fluye en el bebedero.

En cualquier fundición cuya contracción sea significativa se requiere, además del sistema de vaciado, una mazarota conectada a la cavidad principal. La mazarota es una reserva en el molde que sirve como fuente de metal líquido para compensar la contracción de la fundición durante la solidificación. A fin de que la mazarota cumpla adecuadamente con su función, debe diseñarse de tal forma que solidifique después de la fundición principal.

A medida que el metal fluye dentro del molde, tanto el aire que ocupaba previamente la cavidad, como los gases calientes formados por la reacción del metal fundido deben evacuarse para que el metal llene completamente el espacio vacío. En la fundición en arena, la porosidad natural del molde permite que el aire y los gases escapen a través de las paredes de la cavidad. En los moldes permanentes se taladran pequeños agujeros de ventilación dentro del molde o se maquinan en el plano de separación para permitir la salida del aire y los gases.

Arena verde

El proceso consiste en compactar la arena alrededor del modelo, el cual, a su vez, se coloca sobre una tarima o tablero de apisonar, se rodea por la semicaja inferior. Compactada esta mitad se le da vuelta y se enfoca la mitad restante del modelo, a la vez se ensambla la semicaja superior; asimismo, se ponen en posición la clavija de colada y demás elementos que forman el sistema de alimentación. Antes de colocar la arena en el molde, se recubren las superficies con arena seca, para evitar así que se adhieran durante el compactado; es necesario que el modelo se recubra o revista con separador, se coloca entonces la arena y se procede al compactado. Debe tenerse cuidado de no golpear el modelo. Es necesario que la dureza del molde sea uniforme y suficiente para evitar que se desgrane o rompa antes o durante el vaciado, ya que puede haber penetraciones del metal, lo que provocará el rechazo de la pieza.

Una vez compactado el molde se procede a retirar las clavijas de la colada y las mazarotas, se separan los semimoldes y así, se retira el modelo. Se abren las coladas y se colocan los corazones en posición, en caso de que la pieza los requiera. Se procede entonces a cerrar el molde y se colocan los seguros para evitar que el metal líquido separa los semimoldes, con el mismo fin se llegan a colocar contrapesos sobre la superficie del molde, y se procede al vaciado. Una vez que la pieza se ha enfriado lo suficiente, se destruye el molde reiniciado el ciclo.

El moldeo en verde se efectúa normalmente con máquina. El compactado de la arena se efectúa por percusión-prensado. En la figura 2.18 se pueden observar una máquina moldeadora típica. En éstas solo se pueden emplear modelos placa; es común que una moldeadora produzca el semimolde superior y otra el inferior, haciendo el ensamble de los semimoldes ya en el carrusel.

Cuando las piezas son muy grandes, el moldeo se efectúa en foso y es evidente que el compactado no se puede hacer en una moldeadora, para esto se emplean las lanzadoras de arena (figura 2.19), que consisten en una turbina que proyecta la arena sobre el molde. Varios de estos equipos llevan a efecto una acción de mezclado previa, pudiendo así ser empleados para otros procesos de moldeo como el de caja fría. Es usual el uso de pisonadores neumáticos para terminar el compactado del molde.

La pieza que se quiere fabricar es hueca, será necesario disponer machos o corazones que eviten que el metal fundido rellene dichas cavidades. Para la fabricación del corazón se emplean técnicas (cáscara, caja caliente, CO2) de aglomerado que garanticen una mayor resistencia (dadas las dimensiones de éstos), una vez formados y endurecidos se procederá a su colocación, para el posterior cerrado del molde.

Moldeo en arena empleando aglutinante inorgánico (Proceso CO2). En este proceso, el compactado del molde se realiza en forma similar a lo descrito para moldeo en verde, con la excepción de que se requiere hacer pasar una corriente de gas carbónico CO2 a través de la arena, lo que permite entonces su endurecimiento. El endurecimiento se logra por el paso de CO2 a través de la mezcla o por calor, lo cual provoca una serie de reacciones químicas complejas que dan lugar a la formación de un gel sílice que actúa como puente entre los granos de arena.

En el caso de moldeo se puede tan solo utilizar una capa que recubra al modelo y el resto se rellena con arena en verde, con lo que se logra una sensible economía al no requerir tanta arena con silicato de sodio que es de un mayor costo.

La ventaja que ofrece este método sobre el moldeo en verde es su mayor precisión dimensional, así como su mejor acabado; además de que se obtiene geometría o detalles más complejos. Su principal desventaja radica en el costo de las resinas y en el reciclaje de la arena.

3. DISEÑOS

Para el diseño del modelo se debe tener en cuenta una serie de medidas derivadas de la naturaleza del proceso de fundición:

Debe ser ligeramente más grande que la pieza final, ya que se debe tener en cuenta la contradicción de la misma una vez se haya enfriado a temperatura ambiente. El porcentaje de reducción depende del material empleado para la fundición.

Debe evitarse las esquinas agudas, los ángulos y los biseles, pues estas actúan como elevadores de esfuerzos y pueden causar el agrietamiento y grietas del metal (y de las matrices) durante la solidificación.

Deben evitarse las áreas planas grandes (superficies simples), ya que se pueden torcer

Se deberán considerar sobre-espesores para el maquinado de aquellas superficies que así lo demanden

Para permitir que el metal llene la cavidad del molde será necesario contar con canales de alimentación (coladas) y elementos que garanticen que la solidificación termina en zonas externas a la pieza (mazarotas). Asimismo, el molde contendrá cavidades para la colocación de los machos o corazones (los cuales permiten generar cavidades complejas en la pieza fundida).

Disminuir el espesor de pared máximo de una parte para acortar el tiempo de ciclo (tiempo de enfriamiento específicamente) y reducir el volumen de la parte

Espesor de pared uniforme garantizará un enfriamiento uniforme y reducir los defectos. Una sección gruesa, a menudo referido como un punto caliente, provoca enfriamiento irregular y puede resultar en la contracción, porosidad, o formación de grietas.

Esquinas redondeadas para reducir las concentraciones de esfuerzos y fracturas

Aplicar un ángulo de inclinación de 2 º - 3 º a todas las paredes paralelas a la dirección de separación para facilitar la eliminación de la parte del molde. Las superficies del modelo deberán respetar unos ángulos mínimos con la dirección de desmoldeo (la dirección en la que se extraerá el modelo), con objeto de no dañar el molde de arena durante su extracción. Este ángulo se denomina ángulo de salida, que generalmente es del orden de 0.5º a 2º.

La etapa de enfriamiento y solidificación es crítica en todo el proceso, ya que un enfriamiento excesivamente rápido puede provocar tensiones mecánicas en la pieza, e incluso la aparición de grietas, mientras que si es demasiado lento disminuye la productividad

Posteriormente, la pieza puede ser maquinada o sufrir algún tipo de tratamiento térmico que garantice las propiedades requeridas.

4. COMPOSICIÓN ARENAS DE MOLDEO

Las arenas de fundición están compuestas principalmente por Si02 (sílice) asociado con pequeñas cantidades de micas, feldespatos y otros minerales.

No es recomendable utilizar arena sílica pura para el moldeo ya que adolece las propiedades aglomerantes. Las cuales se obtienen con un contenido entre 8 -6% arcilla.

Sílice 80-90%: Dan Refractariedad y permeabilidad (granos grandes). El cuarzo cuando se calienta hasta 573°C se convierte en cuarzo superior que tiene distinta estructura cristalina y propiedades. sin embargo, cuando se enfría, el cuarzo superior vuelve a su estado inferior. Entre 870 y 1470°C el cuarzo se encuentra como tridimita y sobre 1470°C como cristobalita. Cerca de 1710° el mineral se funde.

Arcilla (aglomerante) 4-9%: Partículas finas de la arena, silicato de alúmina hidratado. La arcilla con el agua forman una masa pastosa que rodea los granos de sílice y hace que entre ellos se genere una fuerza de cohesión. Las principales características que poseen estas arcillas minerales son: (1) desarrollo de plasticidad y de adhesividad cuando son combinadas con cierta cantidad de agua; (2) pueden someterse a secado a bajas temperaturas y adquirir nuevamente plasticidad mediante la adición de agua; (3) pierden plasticidad y se calcinan cuando las temperaturas alcanzadas son muy elevadas para conducir a lo que en fundición se conoce como �arcillas muertas �. Existen varios tipos de arcillas que pueden ser empleadas en las mezclas de moldeo y por consiguiente presentan distintas propiedades; entre las más frecuentes se encuentran: la montmorillonita que forma parte de una roca denominada bentonita; puede ser sódica o cálcica, y el caolín que está constituido por los minerales caolinita y haloisita

Agua e impurezas 2-6%: minerales complejos, p.e; CaO, MgO, FeO, Na2O

Otro mineral utilizado como enlazante en materiales refractarios, tanto crudo como calcinado, es el caolín. Es una arcilla primaria de color blanco que posee alta refractariedad. Los dos principales minerales constituyentes del caolín son la caolinita y la haloisita. Típicamente los caolines poseen una plasticidad moderada y una alta contracción durante el secado y la calcinación. Debido a su alta pureza, el caolín posee un alto punto de fusión y es la más refractaria de todas las arcillas [6]. La caolinita, como principal componente del caolín, es un mineral cuya estructura cristalina consiste de una capa tetraédrica de sílice y de una capa octaédrica de alúmina, combinadas de tal forma que construyen una unidad en donde las puntas de los tetraedros de sílice forman una capa común con una de las capas de la lámina octaédrica de alúmina. Usualmente es combinada con la bentonita en la construcción de moldes. A pesar de ser altamente refractaria, posee una baja plasticidad y poca durabilidad. Su uso mejora la resistencia en caliente del molde y permite variar el contenido de agua en grandes intervalos [4,5].

El tercer componente seleccionado para la fabricación de los moldes es el feldespato, que es un mineral compuesto principalmente por silicatos de aluminio, presentes en la arcilla con granulometría muy fina. Estos minerales tienen una estructura análoga a la forma cristalina de la sílice, pero difieren de ésta, en que los átomos de silicio en algunos tetraedros son reemplazados por átomos de aluminio. Tienen un punto de fusión alrededor de 1350ºC. Se comportan como fundentes, siendo inertes y sólo en cocción reaccionan con las partículas arcillosas, entrando a formar parte de la estructura cristalina del material cocido y por lo tanto, ayudan a la formación de fases vítreas

5. CLASIFICACIÓN DE ARENA DE MOLDEO

Según contenido de humedad Arena para moldeo en seco: con esta arena se hacen moldes que antes de la colada se

someten a secado y cuya finalidad es aumentar la cohesión de la arena para soportar mejor la acción mecánica del metal fundido, aumentar la permeabilidad y adsorber parte de los gases que se producen en el curso de la colada. Poseen más del 18% de arcilla. Estos moldes que después de confeccionados se llevan a un proceso de secado. Se utiliza mucho en piezas grandes. Se logra mayor exactitud dimensional, mayor resistencia y cohesión de la arena y mayor permeabilidad. En un molde de arena seca, a veces llamado un molde de caja fría, la arena se mezcla sólo con un aglutinante orgánico. El molde se fortalece por cocción en un horno. El molde resultante tiene alta precisión dimensional, pero es caro y da como resultado una tasa de producción más bajo.

Arena para moldeo en verde: con este tipo de arena se confeccionan moldes en los que se vierte la colada sin someterlos a ningún secado. Esta arena implica un sistema de moldeo

más económico y permite producciones en serie y un empleo mejor de las cajas de moldeo. A pesar de esto, no todas las piezas se pueden producir con el moldeo en verde, particularmente las piezas grandes son difíciles de hacer con este sistema. Consiste en la elaboración del molde con arena y arcillas, tal como la bentonita, las cuales se activan por la presencia de humedad. Es el método más empleado y económico, puede ser utilizado para casi cualquier metal o aleación sin importar mayormente las dimensiones de las piezas. No se emplea en el caso de piezas muy grandes o de geometrías complejas, ni cuando se requiera de buenos acabados superficiales o tolerancias reducidas.Según origen

Arenas naturales: las arenas de fundición tienen su origen a partir del granito, el cual está compuesto de feldespatos (silicato doble de aluminio y potasio o sodio), cuarzo y mica. El feldespato actúa como aglomerante de la mica y el cuarzo. al disociarse los silicatos por agentes atmosféricos del feldespato, el silicato de aluminio al hidratarse se convierte en arcilla. Las arenas naturales presentan características diferentes de acuerdo al proceso de disgregación. Residuos de feldespatos que son fusibles disminuyen la Refractariedad de la arena. no siempre puede usarse la arena tal como llega de los depósitos, sino que debe modificarse luego de realizarse varias pruebas para el estudio de sus características, es decir, comprobación de la arena.

Arenas sintéticas: se debe a arenas silíceas lo más puras posible a las cuales se le agregan aglutinantes. Estas han aumentado su uso ya que presentan mayores ventajas con respecto a las naturales como características más uniformes, la aglutinante ayuda a reducir el límite de humedad y obtener mayor Refractariedad y mayor permeabilidad. En cambio, el intervalo de humedad que permite la elaboración es mucho más restringido en estas arenas ya que se secan más rápidamente y ofrecen más dificultades para el acabado y la separación de moldes. A estas arenas se le añaden entre 3 -5% arcilla. Estas arenas

Según se les haya empleado o no en el proceso

Nueva: Es aquella que se va a emplear por primera vez en el proceso

Vieja: Arena usada en coladas anteriores y es reutilizada.

6. PREPARACIÓN DE LA ARENA

Las arenas suelen estar irregularmente distribuidas al principio por lo que no pueden utilizarse directamente para el moldeo y requieren una preparación. Además luego del uso en el moldeo se empobrecen paulatinamente de arcillas. Sobrecargándose de polvo. Entonces el proceso consiste en darles uniformidad, envolviendo los granos de sílice con arcilla fresca proveniente de arena nueva y entregarle la humedad adecuada

Desterronado o triturado: cuando la arena se presenta en forma de motas duras Secado: la arena natural, tal como viene, resulta generalmente demasiado húmeda y por

lo tanto resulta difícil efectuar adiciones precisas a la arena de moldeo. Para obviar este inconveniente se prefiere, en grandes producciones, secar la arena nueva. Conviene que no se pase los 300°C.

Tamizado: para mantener el tamaño y la uniformidad. Separador magnético: se intercalan en el circuito antes del mezclador. Para los metales

cuprosos, liberan la arena de partículas, fragmentos ferrosos, puntas, rebabas, hierros, etc.

Humidificación y mezclado: a la arena vieja de moldeo se le adiciona arena nueva, con el fin de que cada grano de sílice se reboce lo más regularmente posible de arcilla nueva. El conjunto obtenido debe ser homogéneo, no deben triturarse ni machacarse los granos de sílice (baja permeabilidad). El amasado en seco no se realiza ya que la arcilla seca no es

plástica, por lo que se agrega humedad para obtener la máxima cohesión de la arena regenerada

Desintegración o división: al salir del mezclador, la arena se presenta en forma de motas, por lo que conviene separar los granos para introducir el máximo posible de aire entre ellos. Esto se realiza en divisores o aireadores. Al salir de éstos, la arena debe sufrir el mínimo de caídas o manipulaciones posibles para evitar el agrumado.

Tamizado: se realiza ya que a lo largo del proceso la arena puede recibir materias extrañas indeseables

7. CARACTERÍSTICAS EXIGIDAS A LAS ARENAS PARA SU EMPLEO EN FUNDICIÓN:

Permeabilidad: Permite la rápida evacuación del aire y los gases que se generan durante la colada. La distribución granulométrica debe ser la adecuada. se dice que un material es permeable si deja pasar a través de él una cantidad apreciable de fluido en un tiempo dado, e impermeable si la cantidad de fluido es despreciable. La capacidad de adsorción se expresa en porcentaje de adsorción con respecto a la masa y depende, para una misma arcilla, de la sustancia de que se trate. La porosidad de la arena es la que permite la permeabilidad y el escape de los gases y vapores formados en el molde.

Resistencia: durabilidad o vitalidad. Debe conservar la reproducción del modelo y soportar los choques térmicos sin fragmentarse, lo cual depende de la estructura de los granos. la arena debe tener cohesión y tanto el nivel de agua como de arcilla afectan esta propiedad. La hidratación y deshidratación del espacio inter laminar son propiedades características de las arenas y de moldeo, y cuya importancia es crucial en los diferentes usos industriales. La adsorción de agua en el espacio inter laminar tiene como consecuencia la separación de las láminas dando lugar al hinchamiento. Este proceso depende del balance entre la atracción electrostática catión – lámina y la energía de hidratación del catión. A medida que se intercalan capas de agua y la separación entre láminas aumenta, las fuerzas que predominan son de repulsión electrostática entre láminas, lo que contribuye a que el proceso de hinchamiento pueda llegar a disociar completamente unas láminas de otras.Capacidad de la arena para conservar la forma de la cavidad y producir una pieza con la geometría requerida

Plasticidad: Capacidad de reproducir el modelo.Las arcillas son eminentemente plásticas. Esta propiedad se debe a que el agua forma una envuelta sobre las partículas laminares produciendo un efecto lubricante que facilita el deslizamiento de unas partículas sobre otras cuando se ejerce un esfuerzo sobre ellas.

La elevada plasticidad de las arcillas es consecuencia de su morfología laminar, tamaño de partícula muy pequeño (elevada área superficial) y alta capacidad de hinchamiento.(facilidad para reproducir la geometría del modelo)

Refractariedad: Resistir la acción de las temperaturas altas. Depende de la pureza en su composición química.Corresponde a la cualidad de la arena a resistir elevadas temperaturas de los metales colados. La arena sílice pura (98% SiO2) tiene un punto de fusión aproximadamente de 1700°C y si el contenido de sílice se reduce el punto de fusión disminuirá. Por lo general los hierros fundidos y aleaciones no ferrosas que se vacían tienen puntos de fusión menores. Entonces el nivel de sílice es crítico ya que el acabado superficial de las piezas con altas temperaturas que se están moldeando puede perjudicarse si se pierde Refractariedad. Una adición constante de arena nueva en el sistema ayuda a reponer el contenido de sílice y drenar cantidades de cenizas, finos y arcilla destruida térmicamente.

Disgregabilidad: Capacidad de disgregarse fácilmente la arena después de la colada para permitir la extracción de la pieza

8. Factores que determinan las propiedades de las arenas:FORMA DEL GRANO DE LA ARENAEs un factor importante ya que determinará el comportamiento de la arena, los granos pueden ser esféricos, redondos o angulosos. Una forma de grano redondeada confiere mayor fluidez al metal colado. Y además tiene menor relación área volumen por lo que requerirá menor cantidad de aglutinante para cubrirlo, y es más permeable.

TAMAÑO DE GRANO DE LA ARENA

Es un parámetro muy importante ya que influye en las propiedades de la mezcla de moldeo, ya que las propiedades de las piezas moldeadas dependen del tamaño de grano y de la uniformidad de éstos.

El índice AFS corresponde al índice de finura y establece un promedio en la finura de la arena. Se determina por medio de un análisis granulométrico. Por otro lado la distribución es otro factor importante y se refiere a la forma en que los granos están concentrados alrededor de un tamiz. Dos arenas con un mismo índice pueden tener una distribución diferente, lo cual influye en las propiedades sobre todo en la permeabilidad, la cual es mayor cuanto más concentrada se encuentra la arena en un solo tamiz ya que el tamaño de los granos es más uniforme. Es por ello que se crea la regla práctica que dice que una arena base es buena para la función cuando la sumatoria de los porcentajes retenidos en tres tamices adyacentes es superior a 75%.

La arena gruesa tiene un AFS menor a 45 y un contenido de finos menor a 3%, tiene una menor área de superficie; las principales ventajas de esta arena son: menor cantidad de resina para recubrir el grano, mayor fluidez de la mezcla, mejor permeabilidad del corazón para eliminar los gases durante el vaciado de la pieza, facilita el desarenado de la pieza. La arena fina tiene un AFS mayor a 55 y un contenido de finos mayor a 7%, tiene una mayor área de superficie lo que le da propiedades contrarias a la de la arena gruesa: aumenta la necesidad de resina, menor permeabilidad y desarenado, mayor suciedad del molde y emisión de humos, pero da menor rugosidad en las piezas vaciadas

9. VACIADO DEL METAL FUNDIDO

Después del calentamiento, y una vez alcanzada la temperatura adecuada (mínima a la que se puede producir una pieza sana), el material está listo para verterse en el molde, lo cual se refiere como vaciado. La introducción del metal fundido en el molde y su flujo dentro del sistema de vaciado y de la cavidad es un paso crítico en el proceso. Para que este paso tenga éxito, el metal debe fluir antes de solidificarse a través de todas las regiones del molde. Los factores que afectan la operación de vaciado son la temperatura de vaciado, la velocidad de vaciado y la turbulencia generada durante el llenado del molde.

La temperatura de vaciado es la temperatura del metal fundido al momento de su introducción en el molde. Lo importante aquí es la diferencia entre la temperatura de vaciado y la temperatura a la que empieza la solidificación (el punto de fusión para un metal puro, o la temperatura liquidus para una aleación). A esta diferencia de temperaturas se le llama algunas veces sobrecalentamiento. Éste deberá ser el mínimo

posible que garantice el correcto llenado del molde, lo anterior en virtud de que tanto la cinética de oxidación como la solubilidad de gas en el metal líquido dependen de la temperatura.La velocidad de vaciado es el caudal con que se vierte el metal fundido dentro del molde. Si la velocidad es muy lenta, el metal puede enfriarse antes de llenar la cavidad. Si la velocidad de vaciado es excesiva provoca turbulencia y puede convertirse en un problema serio (se favorece la erosión de la arena del molde, así como que el metal atrape gases y escoria).La turbulencia del flujo se produce al contacto del metal líquido con las paredes del molde, su presencia dependerá de la velocidad y de la viscosidad del metal líquido, así como de la geometría del sistema de llenado. El flujo turbulento debe evitarse ya que provoca una mayor interacción entre el metal y el aire, lo que favorece la formación de óxidos metálicos que pueden quedar atrapados durante la solidificación y degradando de esta forma la calidad de la fundición; también provoca una erosión excesiva del molde por efecto del impacto del flujo de metal fundido. Por último, el flujo turbulento promueve que el metal líquido atrape gas y escorias afectando con esto, en forma negativa, la calidad de las piezas producidas.

10. SOLIDIFICACIÓN Y ENFRIAMIENTO

Después de vaciar el metal fundido en el molde, éste se enfría y solidifica. En esta sección se analizarán los mecanismos físicos de solidificación que ocurren durante la fundición. Los aspectos asociados con la solidificación incluyen el tiempo de enfriamiento del metal, la contracción, la solidificación direccional y el diseño de las mazarotas.

Tiempo de solidificación.

Sea que se trate de un metal puro o aleación, de todos modos, su solidificación toma tiempo. El tiempo total de solidificación es el tiempo necesario para que la fundición solidifique después del vaciado. Este tiempo depende del tamaño y de la forma de la fundición expresada por una relación empírica conocida como regla de Chvorinov.

Contracción

En el análisis simplificado de la solidificación se ha omitido el impacto de la contracción que ocurre durante el enfriamiento y la solidificación. La contracción ocurre en tres pasos: 1) contracción líquida durante el enfriamiento anterior a la solidificación; 2) contracción durante el cambio de fase de líquido a sólido, llamada contracción de solidificación, y 3) contracción térmica de la fundición solidificada durante el enfriamiento hasta la temperatura ambiente. Los tres pasos pueden explicarse con referencia a una fundición cilíndrica hipotética hecha en un molde abierto, como se muestra en la figura 2.32.

Diseño de la mazarota

Tal como se describió antes, una mazarota se usa en un molde de fundición para alimentar metal líquido al proceso durante el enfriamiento y compensar así la contracción por solidificación. La mazarota debe permanecer líquido hasta después de que la fundición solidifique. Para satisfacer este requerimiento, se puede calcular el tamaño de la mazarota usando la regla de Chvorinov.

11. POSIBLES DEFECTOS Secciones no completadas: debido a baja temperatura de colada y material insuficiente. La

temperatura del líquido vertido debe ser lo suficientemente alta como para que fluya y llene el molde antes de comenzar a solidificar.

Porosidad: debido a arena con baja permeabilidad, alta temperatura de fusión y velocidad de enfriamiento no uniforme

Proyecciones en la superficie: debido La erosión de la arena interior del molde, Una grieta en el molde de arena, Mitades de molde se desplazan

Porosidad por contracción Porosidad por gases Inclusiones de arena+ Película residual de óxido

12. VENTAJAS Y DESVENTAJAS

Ventajas

Económico: es un proceso más barato que el resto.

Resistencia a altas temperaturas.

Posibilidad de obtencion de piezas de hasta menos de 3mm de grosor de acero.

Posibilidad de utilización en gran cantidad de metales y aleaciones.

Acabado uniforme y liso.

No requiere de tolerancias especiales.

Aproximadamente un 90% del material del molde es reciclable.

Se trata de un proceso flexible con costos de materiales bajos.

Piezas sin tensiones residuales. Mayor posibilidad de eliminar gases por la permeabilidad.

Desventajas

No se trata de un proceso recomendado para piezas de gran tamaño.

Las tolerancias que se obtienen suelen ser bastante grandes.

No es el proceso más adecuado para la realización de piezas de geometría compleja.

Los acabados superficiales que se obtienen no son los mejores.

Piezas con resistencia mecánica reducida. Cierta probabilidad de defectos Mano de obra cualificada y especializada

13. DISEÑO Y FABRICACIÓN DE MOLDES PARA SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL EN ALEACIONES DE ALUMINIO

Se estudiaron seis mezclas compuestas de arena sílice, bentonita, caolín y feldespato, en proporciones variables; estos componentes se escogieron dada su estabilidad dimensional a las temperaturas de ensayo y a que no reaccionan con las aleaciones de aluminio vaciadas. Para la fabricación de los moldes se eligió la composición 60% sílice, 16% bentonita, 16% caolín y 8% feldespato. Además, dicha mezcla mostró buena colapsibilidad, propiedad indispensable para liberar el lingote producido y los termopares utilizados en los ensayos de solidificación. Se determinó un espesor de pared del molde de 2 cm, considerando cálculos teóricos de transferencia unidireccional de calor por conducción en estado no-estacionario y la facilidad para el moldeo manual de la mezcla elegida. El secado y sinterización parcial de los moldes definitivos se realizó durante 37 h, en seis etapas térmicas (25, 70, 100, 200, 300 y 1000ºC) de diferentes duración. Finalmente, se validó la aplicabilidad de los moldes fabricados mediante el vaciado en los mismos de una aleación Al-8,86% Si-0,21% Fe, encontrándose que cumplen con el objetivo planteado.

Parte Experimental

El molde se realizó mediante la técnica de moldeo manual, abarcando cuatro etapas: selección de los materiales de moldeo; elección del espesor de pared del molde; diseño de una preforma de

madera y establecimiento del mezclado y del tratamiento térmico adecuado para lograr sinterización parcial.

Para la selección de la composición de la mezcla de moldeo, se tomó como criterio básico la utilización de minerales disponibles en el país: por ello, se ensayó con bentonita, caolín, feldespato y arena silícea. Nuestra experiencia en Fundición permite considerar que esos materiales elegidos deberían tener las características requeridas por los moldes que sustituirían a los crisoles de grafito calentados por resistencia eléctrica. Los minerales se mezclaron y molieron en seco durante 5 minutos en un molino de bolas, con cuerpos moledores de alúmina. A cada mezcla se le determinó su resistencia a la compresión en verde (RCV), su dureza superficial y su índice de permeabilidad.

Se construyeron manualmente moldes de menor escala a la requerida [13], y se sometieron a secado y a cocción (a 1000ºC), para lograr la sinterización parcial de los componentes. La fabricación de estos moldes permitió evaluar la facilidad de moldeo y su resistencia a la manipulación tanto en las etapas previas a la cocción como luego de la sinterización parcial.

Se efectuó considerando la solución general de Schwartz [4], que describe la transferencia de calor por conducción unidireccional en el estado no-estacionario, aplicada sobre la sección transversal del molde de arena. Este modelo describe los gradientes de temperaturas en el interior de la sección transversal del molde de arena [13], al derivar la ecuación general [T1(x,t)] en función del espesor �x�, como se indica en la ec. (1)

donde las constantes se identifican así: Tf es la temperatura de fusión del metal; To es la temperatura ambiente; M es una constante adimensional del molde, definida por la relación entre las difusividades calóricas entre el metal sólido y el molde, M = (b2 / b1), siendo b = (kcρ)1/2; a1 es el coeficiente de difusividad térmica del molde, a = k/cr; y �x� es la variable espesor que tiene signo negativo debido al sistema de referencia establecido [4]. Los parámetros k, c, r, son el coeficiente de conductividad térmica, la capacidad calorífica y la densidad, respectivamente. Los subíndices 1 y 2 se refieren al molde de arena y del metal sólido, respectivamente.

Los procedimientos de mezclado y de tratamiento térmico para la sinterización parcial, se diseñaron una vez seleccionada la mezcla de moldeo adecuada, mediante la evaluación de los moldes de prueba. Para definir el ciclo se tomó en consideración las características de expansión de las arenas de cuarzo [11] y además, que se permitiera la remoción cuidadosa del agua libre presente en la mezcla, evitando generación de grietas, lo cual es explicado

en el Apartado 3. Para la fabricación de los moldes con las medidas definitivas, se repitió el procedimiento ejecutado para construir los moldes a escala menor, pero utilizando la caja de moldeo de la Figura 2 [13].

En el molde fabricado, se vació una aleación comercial de base aluminio, Al-8,86% Si-0,21% Fe y se dejó solidificar el lingote producido, sin usar el sistema de enfriamiento del �dedo frío �. De esta manera, se evaluó la macroestructura en su corte longitudinal para determinar la calidad de producto y confirmar la característica de aislamiento térmico, objetivo de este trabajo.

CONCLUSIONES EXPERIMENTO

El diseño del molde refractario, sustituto del grafito en el ensayo ALCOA, se estableció con base en los siguientes criterios:

La expresión de la derivada con respecto a la distancia, de la ecuación general de Schwartz que describe el flujo unidireccional de calor en el molde, sirvió de base para definir el espesor mínimo. Finalmente, se seleccionó un espesor de pared del molde de 2 cm, superior al calculado, para facilitar el moldeo manual.

El análisis del diagrama ternario arcilla-cuarzo- feldespato resultó útil para la selección de la mezcla final que consistió en: 60% arena sílice, 16% bentonita, 16% caolín y 8% feldespato (en seco).

El secado y sinterización parcial de los moldes definitivos se realizó en un total de 37 horas, con seis etapas térmicas (25, 70, 100, 200, 300 y 1000ºC) de diferentes duración. Este tratamiento evitó la generación de grietas que puedan conducir a fallas catastróficas durante la manipulación de los metales líquidos contenidos en esos moldes.

Por último, se validó la utilización de los moldes fabricados a través del vaciado de una aleación de aluminio, comprobándose que los mismos presentaron características aislantes adecuadas para ser usados en ensayos de solidificación direccional.

Como sabemos, la aleción de aluminio 4032 posee en su composición un elevado % de silicio; en concreto su composición es de un 11% de silicio y un 1% de Fe, Cu, Mg y W. Este añadido provoca unas buenas propiedades de moldeo, soldabilidad y resistencia a la corrosión, incluso en ambientes marinos. En general, estas aleaciones son mas resistentes y ductiles que las aleaciones de Al-Cu. Esto se debe a la microestructura. El sistema binario Al-Si forma un eutéctico a 577ºC y una composición del 11.7%, que forma una matriz alfa, aluminio, y una dispersión de fase beta o Si.

En las aleaciones de Al con Si, éste aparece a partir de la precipitación de la fase alfa o directamente durante la precipitación a partir del líquido. En los procesos de colada no se alcanza un equilibrio total apareciendo Si libre. Se suele añadir Na o Fe para desplazar el eutéctico a la derecha, 14%, y disminuir su temperatura en una reacción de modificación. Luego el Si precipita de forma dispersa y uniforme en vez de placas alargadas. Al existir numerosos precipitados dispersos se dificulta el desplazamiento de dislocaciones y a su vez de grietas aumentando la resistencia. Además se provoca una disminución del coeficiente de expansión térmica debido a la disminución de grandes límites de granos evitándose así el choque de las las deformaciones de dos fases distintas a lo largo de estos.

Estas aleaciones se utilizan en tratamientos térmicos con precipitación a alta temperatura. Por esto se utiliza en pistones donde se requieren propiedades de alta resistencia y choque térmico.

También podemos encontrar estas composiciones de aluminio en la fabricación de turbinas de aviación.

Serie 4xxx. En esta serie el principal elemento aleante es el Si que suele añadirese en cantidades medianamente elevadas (por encima del 12%) para conseguir una bajada del

rango de fusión de la aleación. El objetivo es conseguir una aleación que funda a una temperatura más baja que el resto de aleaciones de aluminio para usarlo como elemento de soldadura. Estas aleaciones en principio no son tratables termicamente pero si son usadas en soldadura para soldar otra aleaciones que son tratables termicamente parte de los elementos aleantes de las aleaciones tratables termicamente pasan a la serie 4xxx y convierten una parte de la aleación en tratable termicamente. Las aleaciones con un elevado nivel de Si tienen un rango de colores que van desde el gris oscuro al color carbon y por ello estan siendo demandadas en aplicaciones arquitectónicas. La 4032 tiene un bajo coeficiente de expansión térmica y una alta resistencia al desgaste lo que la hace bien situada para su uso en la frabricación de pistones de motores

Hierro: Es altamente soluble en estado líquido pero virtualmente insoluble (0,04% Fe) a temperatura ambiente. Por ello aparece como compuestos intermetálicos insolubles, siendo los más comunes Al3Fe, Al6FeMn y αAlFeSi. Mejora la resistencia al agrietamiento en caliente, las resistencia a la fluencia a altas temperaturas y disminuye la tendencia a la adhesión en fundición a presión. El hierro refina el grano en los lingotes de fundición. Un incremento en el contenido de hierro aumenta la resistencia mecánica pero disminuye notablemente la ductilidad, por la presencia de las segundas fases. En presencia de altos contenidos de hierro, dichas fases afectan adversamente la colabilidad y las características de alimentación de las piezas fundidas. Junto con el manganeso y el cromo, el hierro ayuda a formación de fases que pueden retirarse por escorificación de la colada.

Silicio: El efecto más notable del silicio en el aluminio es mejorar las características del colado, mejorando la fluidez, la resistencia al agrietamiento en caliente y las características de la alimentación de las piezas fundidas. Las aleaciones comerciales Al-Si varían desde composiciones hipoeutécticas hasta cerca del 25% Si. Para procesos de colado con velocidades lentas de solidificación se prefieren los rangos de 5 a 7 % Si, para moldes permanentes se recomienda 7 a 9 % Si y para fundición a presión, que inducen altas velocidades de enfriamiento, 8 a 12% Si. Se recomienda mayores cantidades de eutéctico para propósitos de alimentación de la pieza a medida que aumenta la velocidad de enfriamiento. Las adiciones de silicio disminuyen la densidad y el coeficiente de expansión térmica

Entre las posibles aleaciones del sistema Al–Si, la que tiene interés industrial es, precisamente, la aleación eutéctica. Se utiliza profusamente para piezas moldeadas de pequeño espesor, como por ejemplo, cárteres de motores de explosión, radiadores, aparatos eléctricos, etc. Su interés se fundamenta en que su temperatura de solidificación es baja 577ºC; presenta muy buena colabilidad por tratarse de una eutéctica; por solidificar a temperatura constante, no existirá ningún tipo de segregación, ni mayor ni menor; la contracción que experimenta en el paso del estado líquido al estado sólido es pequeña, del 11‰, es decir que, prácticamente, su rechupe es casi nulo; y no tiene riesgo de agrietamiento en caliente porque, en parte, su intervalo de solidificación es constante y, por consiguiente, no se presta a la presencia de microrrechupes. Por otra parte, también el Si favorece ese comportamiento a la no fisuración en caliente. Sin embargo, la eutéctica presenta la particularidad, observando el diagrama de equilibrio, de ser una eutéctica anormal.

Experiencia 2

El presente trabajo estudia las propiedades mecánicas de los dos tipos de los componentes de aluminio fundido utilizando moldes de arena y moldes de hierro. Una comparación se realizó para investigar el efecto de la velocidad de solidificación en la plasticidad y la ductilidad.

Para describir la plasticidad y la ductilidad de las piezas fundidas, la curva de tensión-deformación. Mediante la comparación de las curvas, se puede ver fácilmente que el componente de metal de moldeo es de menor resistencia y mayor ductilidad que la arena de moldeo. Por lo tanto mediante el aumento de la velocidad de solidificación, se puede mejorar la propiedad de fractura de piezas de fundición

Se observa que la pieza de aluminio solidificada en un molde de arena presenta mayor resistencia y dureza que la misma pieza solidificada en un molde de metal, sin embargo esta última presenta mayor ductilidad.

Esta sección presenta los exámenes metalográficos y fractográficos de los dos tipos de los componentes de aluminio fundido. Con el fin de evaluar los efectos de los medios de comunicación molde sobre la microestructura de las piezas moldeadas, docenas de cilindros pequeños se prepararon y pulido para la observación microscópica y la medición. Dos gráficos SEM seleccionados se muestran en la figura. 5 que muestra dendritas ricas en aluminio típicos separadas por regiones eutécticas. El espaciado de los brazos dendríticos secundaria (APS) se midió para describir la microestructura. Los valores medios de las APS son 60 lm y 40 lm, respectivamente, para la arena de moldeo y los componentes de metal de moldeo. El aumento en la velocidad de enfriamiento refina células dendríticas y partículas de silicio en las regiones eutécticas.