Proceso de Fundicion
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Proceso de Fundicion (Sintesis)
FUNDICION
Entre todos los procesos de manufactura uno de los más populares es la
fundición. Debido a la variedad de piezas que se pueden obtener a partir de este
proceso. Pero debe ser un proceso controlado pues de las condiciones apropiadas
que se tengan preparadas para el proceso depende la calidad del mismo. A
continuación se describirá el proceso y las partes del mismo detalladamente y
sugiriendo las condiciones optimas para obtener piezas de buena calidad,
Definiendo también los conceptos que sean necesarios para entender
correctamente el proceso de fundición.
Un proceso de fundición consta principalmente de tres instantes, se funde el
metal, se vacía en el molde y por último se deja enfriar. Esta actividad me permite
crear piezas con geometrías complicadas y de gran volumen; pero también con
tamaños muy pequeños, y en muchos casos no es necesario realizar actividades
posteriores para acabar la pieza. Pero trae impedimentos relacionados con ciertas
características del material a fundir. Este puede no solo puede ser metal también
puede ser un polímero o un cerámico.
La fundición inicia lógicamente calentando le metal o el material que se vaya a
implementar y se vierte en el molde, este molde es una cavidad que debe tener el
negativo de la forma que se desea obtener un poco sobredimensionado debido a
la contracción que sufrirá el material cuando se solidifique. Los moldes pueden ser
de varios tipos y de allí el tipo de fundición. Los moldes más comunes son:
El molde abierto: es aquel donde el metal líquido se vierte en una cavidad
abierta.
el molde cerrado: es aquel donde el metal líquido se vierte en un sistema
de vaciado que conduce el líquido hasta la cavidad. Es el método de
fundición más usado en los sistemas de producción.
el molde desechable: en este tipo de fundiciones el molde debe ser
destruido para poder obtener la pieza. Estos moldes son generalmente
hechos con arena, yeso y varios tipos de aglomerantes entre otros.
el molde permanente: este tipo de fundiciones se realiza generalmente
cuando tenemos producciones muy grandes donde resulta ineficiente
emplear moldes desechables. Estos moldes constan de dos secciones que
se abren para obtener la pieza. Lo más común en este tipo de fundición es
la fundición en dados.
Entre los moldes desechables más usados se encuentran los moldes de arena.
Estos son fabricados a partir de sílice o mezcla de otros minerales, con tal que
dicha mezcla tenga propiedades refractarias, es decir, que pueda resistir altas
temperaturas sin fundirse o degradarse. La mezcla más común es la de arena,
agua, arcilla y otros aglutinantes.
Para las partes más importantes de un molde son la tapa y la draga que se
refieren a la tapa superior e inferior del molde respectivamente. Estas dos se
encuentran separadas por el plano de separación en la caja del molde. En la
fabricación de moldes desechables, estos se hacen generalmente con madera u
otro tipo de polímero, donde en cada una de las tapas se encuentra el negativo de
una parte de la pieza a fabricar y en la otra el negativo del complemento de la
pieza. Es muy importante a la hora de diseñar un molde la construcción de un
buen sistema de vaciado. Este consiste en una red de canales por donde fluye el
material fundido hacia adentro del molde. Este comienza por el bebedero que es el
lugar por donde ingresa el líquido fundido y que conecta con el resto del sistema
de vaciado. Arriba del bebedero se encuentra la copa de vaciado la cual se utiliza
para eliminar salpicaduras a la hora de verter el material fundido. Otra parte
importante dentro del molde es la mazarota. Esta es la encargada de servir como
una reserva de material a la hora de la solidificación. Puesto que es muy probable
que cuando se solidifique el material se contraiga y esta debe compensar el
material que se redujo.
En general los moldes con arena permiten una mejor ventilación de los gases por
lo cual tienen un mejor acabado a diferencia de los moldes permanentes donde es
necesario hacer ciertos agujeros para crear un mejor acabado. Después de tener
un molde ya diseñado se procede calentar el respetivo material a una temperatura
óptima la cual sea suficiente para que el material al ser vertido dentro del molde
alcance a tomar toda la forma del molde antes de solidificarse a esta temperatura
se le llama sobrecalentamiento y tiene que ver con la diferencia entre las
temperaturas de vaciado y la de solidificación. Aunque la temperatura no es el
único factor para que esto se dé. Entre los factores principales están: la velocidad
de vaciado y la turbulencia. La velocidad de vaciado debe ser bien controlada
debido a que la falta de velocidad o su exceso puede significar daños en la pieza.
Si la velocidad es muy lenta seguramente el material se solidificara antes de haber
tomado completamente la forma de la pieza por tanto quedara incompleta. Pero si
es muy rápida esta velocidad se originara una turbulencia capaz de ocasionar
óxidos difíciles de identificar, además vuelve al material más propenso a la erosión
que pueda tener debido al contacto con el ambiente. Partiendo de cálculos
matemáticos se recomienda que la mazarota debe ser diseñada reduciendo el
canal del sistema de vaciado conforme vaya avanzando el liquido, para mejorar
también el sistema se debe hacerla mazarota con ahusamiento. Para que no sea
tan lenta la velocidad y tampoco tan rápida para formar turbulencia, el fin es que
las velocidad del flujo del material debe ser igual en la parte superior del bebedero
como en la parte inferior del sistema de vaciado. Logrando esto podemos realizar
cálculos precisos acerca del tiempo de llenado. Estos cálculos deben ser tomados
en cuenta como el tiempo mínimo que debe durar el llenado del molde.
Otro aspecto importante a la hora de realizar una fundición es el tipo de horno que
se va emplear. Los más comunes son cubilotes, hornos calentados por fuego
directo, hornos de arco eléctrico, hornos de inducción.
Los cubilotes son hornos cilíndricos fabricados con acero y recubiertos con
materiales refractarios. La mayoría de estos hornos son empleados en la fundición
de grandes toneladas de hierro.
Los hornos calentados por fuego directo es un horno más sencillo donde si utiliza
un quemador y una tapa para regular la temperatura. El combustible más común
empleado en este tipo de horno es el gas natural. Los gases salen por una
chimenea y debajo del horno ahí una pequeña abertura donde deja salir metal
fundido. Este tipo de horno es usado para fundir aleaciones de cobre o aluminio y
metales no ferrosos.
Los hornos de crisol se caracterizan por qué no son calentados de una forma
directa es decir, el metal se funde sin entrar en contacto directo con los gases de
combustión. Existen tres tipos de horno crisol, el móvil, el fijo y el basculante.
Los hornos por arco eléctrico, como su nombre lo indica, el calor generado es
originado a partir de la energía de un arco eléctrico y son usados principalmente
para la producción de acero.
Y por último los hornos de inducción los cuales funcionan a través de de la
inducción de corriente alterna, por medio de una bobina que brinda calor y una
rápida fusión del material. Se suele usar para fundir aleaciones de hierro, aluminio
o acero de excelente calidad. Puesto que este tipo de horno brinda una fundición
con muy pocas imperfecciones debido a que el metal a fundir no está en contacto
con ningún elemento calefactor así que es más fácil controlar el proceso, y así
obtener una excelente calidad.
Otra característica importante que se debe tener en cuenta al momento de fundir y
dar forma a un material es su fluidez, la cual es una medida de la capacidad del
metal para llenar el molde antes de enfriarte, lo inverso a la viscosidad que es la
resistencia que posee un fluido a un esfuerzo cortante, en pocas palabras al
incrementar la viscosidad, la fluidez decrece; una forma muy común de medir la
fluidez es por medio de un instrumento llamado molde espiral.
La fluidez de un material siempre se va a ver afectada por factores o propiedades
de este mismo como son, la temperatura de vaciado, la composición del material,
la viscosidad de este mismo y el calor transmitido hacia los alrededores. Algo que
se debe tener en cuenta, es que cuando se vierte el metal liquido debe de
asegurarse que la temperatura de este sea mucho mayor que la temperatura del
punto de solidificación, esto para evitar que al momento de entrar en contacto el
metal con el molde la perdida de calor por contacto, no disminuya mucho la
temperatura del liquido para que este no solidifique antes de llenar todo el molde.
Lograr que el metal liquido llene por completo el molde sin que solidifique durante
su trayecto, nos garantizara la homogeneidad del material cuando este solido y
además evitaremos problemas como la formación de oxido y porosidades no
deseadas. Otro punto importantes para que nuestro proceso sea lo más optimo
posible es la selección de un material cuya composición permita una solidificación
uniforme a temperaturas contaste, es decir que la composición de nuestro material
sea los mas pura posible o que lo elementos aliados temperaturas de solidificación
semejantes, para que todas las moléculas o partículas presentes solidifiquen a
una temperatura especifica o intervalos de temperatura pequeños.
Otra etapa muy importante en el proceso de formación de sólidos por fundición, es
la solidificación y enfriamiento, como su nombre lo dice es el proceso o etapa
donde nuestro material se solidifica y enfría, esta etapa es una de las más
delicadas debido a que un enfriamiento inadecuado puede generar cambios
notables en las propiedades mecánicas del material. El proceso de solidificación
en la fundición de metales difiere en gran medida dependiendo si el material es
puro o es una aleación, en los metales puros la temperatura de solidificación se da
de manera constante y va ser determinada por el punto de solidificación del
material, esto se debe a que la composición química es única y homogénea en
todo el sólido, por lo tanto solidificara siempre a esta temperatura. La curva de
enfriamiento de un material siempre nos brindara una idea de cómo es el
comportamiento del material en su enfriamiento, desde que termina su vertimiento
en el molde, esta curva es característica de cada material, es decir que dos
materiales no poseen la misma curva de enfriamiento.
Como sabemos el material siempre solidificara primero alrededor del molde, es
decir formara delgadas películas en las paredes de este mismo, formando costras
alrededor del material fundidos las cuales crecerán desde afuera hacia adentro, el
cuidado y análisis de cómo se formaran los granos de cada capa adyacente una
de otra determinaran las propiedades mecánicas del material, los granos mas
cercanos a las paredes del molde siempre presentaran características diferentes
que los granos del centro, debido a que enfriaran más rápido porque la
transferencia de calor es más rápida, mientras que en el centro será más lenta, las
características de los tipos de granos formados serán: En la paredes serán finos,
equiaxiales y orientados aleatoriamente, a medida que avanzan hacia el centro los
granos tienden a ser en forma de espinas o agujas esto se debe al que el
enfriamiento es lento debido a que ocurre en zonas que están alejadas de las
paredes del molde lo que dificulta la disipación del calor.
En las aleaciones el enfriamiento se da en intervalos de temperaturas, y esta
depende de los aleados en el sólido es decir de cómo está compuesto el material
a nivel químico, es importante resaltar que el enfriamiento en este tipo de
elemento difiere de las aleaciones puras en que el tipod e grano que ocurren cerca
de las paredes pueden ocurrir en el centro del molde esto se debe a que el
material siempre tendera a solidificar por zonas, es por ello que es de suma
importancia seleccionar aleaciones cuyo puntos de solidificación no difieran mucho
y sean lo más cercanas posibles para así evitar la segregación de lingote. Otro
tipo de solidificación es la que ocurre en aleaciones eutécticas donde su
composición particular le brinda un beneficio a la solidificación debido a que esta
por lo general se da a temperatura constante mas no por intervalos un ejemplo
claro de este tipo de aleaciones es la de plomo estaño cuyo punto de solidificación
es a 362°F.
La contracción del material es otra característica importante que se debe tener en
cuenta durante esta etapa de enfriamiento y la solidificación, porque causa
problemas como la reducción posterior en la altura de fundición y que la cantidad
de material liquido disponible para alimentar la porción superior del centro de la
fundición se restringe, es por ello que siempre el molde debe sobredimensionarse
y asignarle toleración para que cuando ocurra la contracción del material este
tome las dimensiones requeridas. Otro gran problema que ocurre por la
contracción del material es el rechupe, que son espacio vacios por que el material
alrededor de este se contrajo, para evitar estos inconvenientes algunas soluciones
que se presentan son que las zonas más alejadas de la fuente de metal liquido
siempre solidifiquen primero, esto se logra con una adecuado ubicación de la
mazarota o con el uso de enfriadores, los cuales no ayudara a aumentar la
transferencia de calor por lo tanto las zonas cercanas a los enfriadores
solidificaran mas rápido y evitara que ocurran los rechupes. Un punto que cabe
resaltar es que siempre se debe evitar que las zonas cercanas a la mazarota
salifiquen de primero, ya que puede que ocurra que el liquido enfrié mas rápido y
que este no alcance a llenar toda la cavidad del molde o cree rechupes, es por ello
la importancia de diseñar y ubicar de la mejor forma la mazarota, que juego uno de
los papeles mas importantes en este proceso de fundición, ya que gracias a ella
logramos compensar la contracción por solidificación alimentando siempre con
metal liquido este proceso, y evitando asi problemas que mas tarde nos costaran.
Para el diseño de la mazarota es importante tener en cuenta que siempre esta
debe tener formas circulares o en su defecto cilíndricas y se debe diseñar
optimizando los costos es decir debo pensar además de que me funciones como
quiero, me gaste lo menos que pueda del material, ya que la mazarota pertenece
al molde y solidificara igual que el resto del sólido, lo que conllevaría a ser material
inservible al menos que se vuelva a fundir para la fabricación de otro material, lo
que conlleva a mas gastos de energía. El buen diseño de una mazarota me
garantiza un enfriado homogéneo y fuera de problemas como los anteriormente
nombrados.
Fuente:
Fundamentos de manufactura moderna: materiales, procesos y sistemasGroover, Mikell P.Barrientos Morales, AntonioLeón Cárdernas, JavierReyes Rosales, Rosendo