I) FUNDICION fundición

I) FUNDICION
Proceso de producción de piezas metálicas a través del vertido de metal fundido
sobre un molde hueco, por lo general hecho de arena. El principio de fundición es simple:
se funde el metal, se vacía en un molde y se deja enfriar, existen todavía muchos factores y
variables que se deben considerar para lograr una operación exitosa de fundición. La
fundición es un antiguo arte que todavía se emplea en la actualidad, aunque ha sido
sustituido en cierta medida por otros métodos como el fundido a presión (método para
producir piezas fundidas de metal no ferroso, en el que el metal fundido se inyecta a presión
en un molde o troquel de acero), la forja (proceso de deformación en el cual se comprime el
material de trabajo entre dos dados usando impacto o presión para formar la parte), la
extrusión (es un proceso de formado por compresión en el cual el metal de trabajo es
forzado a fluir a través de la abertura de un dado para darle forma a su sección transversal),
el mecanizado y el laminado (es un proceso de deformación en el cual el espesor del material
de trabajo se reduce mediante fuerzas de compresión ejercidas por dos rodillos opuestos).
II) Procesos de Fundición
La realización de este proceso empieza lógicamente con el molde. La cavidad de este
debe diseñarse de forma y tamaño ligeramente sobredimensionado, esto permitirá la
contracción del metal durante la solidificación y enfriamiento. Cada metal sufre diferente
porcentaje de contracción, por lo tanto si la presión dimensional es crítica la cavidad debe
diseñarse para el metal particular que se va a fundir. Los moldes se hacen de varios
materiales que incluyen arena, yeso, cerámica y metal. Los procesos de fundición se
clasifican de acuerdo a los diferentes tipos de moldes.
Proceso:
Se calienta primero el metal a una temperatura lo suficientemente alta para
transformarlo completamente al estado líquido, después se vierte directamente en la cavidad
del molde. En un molde abierto el metal líquido se vacía simplemente hasta llenar la cavidad
abierta. En un molde cerrado existe una vía de paso llamada sistema de vaciado que permite
el flujo del metal fundido desde afuera del molde hasta la cavidad, este es el más importante
en operaciones de fundición.
Cuando el material fundido en el molde empieza a enfriarse hasta la temperatura
suficiente para el punto de congelación de un metal puro, empieza la solidificación que
involucra un cambio de fase del metal. Se requiere tiempo para completar este cambio de
fase porque es necesario disipar una considerable cantidad de calor. El metal adopta la forma
de cavidad del molde y se establecen muchas de las propiedades y características de la
fundición. Al enfriarse la fundición se remueve del molde; para ello pueden necesitarse
procesamientos posteriores dependiendo del método de fundición y del metal que se usa.
Entre ellos tenemos:
- El desbaste del metal excedente de la fundición.
- La limpieza de la superficie.
- Tratamiento térmico para mejorar sus propiedades.
- Pueden requerir maquinado para lograr tolerancias estrechas en ciertas partes de la pieza y
para remover la superficie fundida y la microestructura metalúrgica asociada.
1) Fundición en arena
Uno de los materiales más utilizados para la fabricación de moldes temporales es la
arena sílica o arena verde (por el color cuando está húmeda). El procedimiento consiste en el
recubrimiento de un modelo con arena húmeda y dejar que seque hasta que adquiera
dureza.
Existen dos métodos diferentes por los cuales la fundición a la arena se puede
producir. Se clasifica en función de tipo de modelo usado, ellos son: modelo removible y
modelo desechables.
En el método empleando modelo removible, la arena comprimida alrededor del
modelo el cual se extrae más tarde de la arena. La cavidad producida se alimenta con metal
fundido para crear la fundición. Los modelos desechables son hechos de poliestireno y en vez
de extraer el modelo de la arena, se vaporiza cuando el metal fundido es vaciado en el
molde.
2) Fundición por Inyección:
La fundición en esta forma y tratándose de gran cantidad de piezas, exige
naturalmente un numero considerable de moldes. Es evidente que el costo de cada pieza
aumenta con el precio del molde.
En las técnicas modernas para la fundición de pequeñas piezas, se aplican maquinas
con moldes de metal, que duran mucho tiempo, pudiendo fundirse en ellos millares de
piezas, el metal se inyecta en el molde a presión, por cuya razón este sistema se denomina
por inyección. El peso de las piezas que se pueden fundir por inyección en moldes
mecánicos, varía entre 0.5 gramos hasta 8 kilos. Por lo general se funden por inyección
piezas de Zinc, Estaño, Aluminio, y Plomo con sus respectivas aleaciones.
La parte más delicada de la maquina para fundir por inyección es el molde. Este
molde tiene que ser hecho con mucho cuidado y exactitud, tomando en cuenta los
coeficientes de contracción y las tolerancias para la construcción de las piezas, de acuerdo
con el metal y la temperatura con la que se inyecta.
La cantidad de piezas que pueden fundir en un molde y con una sola maquina es
muy grande, además, en una hora pueden fabricarse de 200 a 2000 piezas según su tamaño
y forma, por lo tanto, repartiendo el costo del molde, de la maquina, así como también los
gastos de mano de obra para la manutención del equipo y teniendo en cuenta la gran
producción, a de verse que las piezas fundidas en serie por inyección resultan de bajo
costos.
3) Fundición en Coquillas:
Si se hecha un metal fluido en un molde permanente, fabricado de hierro o acero, se
efectúa la fundición en coquillas. Este método tiene una ventaja importante en comparación
con la fundición en arena; se puede fundir con la pieza misma, roscas exteriores mayores,
agujeros, etc.
Las piezas coladas en coquillas tienen una superficie pareja y limpia por lo que,
generalmente, no es necesario un trabajo posterior de acabado. La exactitud de la medida es
mucho más grande que la fundición de arena; pero mucho menor que cuando se funde por
inyección.
Se puede observar que la estructura de la pieza fundida en coquillas es densa de
grano muy fino, por lo que las propiedades mecánicas en estas son mejores que las de
piezas iguales coladas en molde de arena. Por esta razón es posible disminuir el peso de
piezas fundidas en coquillas, con el consiguiente ahorro de material.
4) Fundición Centrífuga:
La fundición centrifuga es el proceso de hacer girar el molde mientras se solidifica el
metal, utilizando así la fuerza centrifuga para acomodar el metal en el molde. Se obtienen
mayores detalles sobre la superficie de la pieza y la estructura densa del metal adquiere
propiedades físicas superiores. Las piezas de forma simétricas se prestan particularmente
para este método, aun cuando se pueden producir otros muchos tipos de piezas fundidas.
Por fundición centrifuga se obtienen piezas más económicas que por otros métodos.
Los corazones en forma cilíndrica y rebosaderos se eliminan. Las piezas tienen una
estructura de metal densa con todo y las impurezas que van de la parte posterior al centro
de la pieza pero que frecuentemente se maquinan. Por razón de la presión extrema del metal
sobre el metal, se pueden lograr piezas de secciones delgadas también como en la fundición
estática.
Los moldes permanentes se han hecho frecuentemente en la fundición centrifuga de
magnesio. Desde entonces las piezas de fundición de magnesio son forzadas nuevamente al
molde, las piezas se enfrían mas rápidamente y el aire o gas atrapados se eliminan entre el
molde y el material.
Aunque en la fundición centrífuga hay limitaciones en el tamaño y forma de piezas
fundida, se pueden hacer desde anillos de pistón de pocos gramos de peso y rodillo para
papel que pesen arriba de 40 toneladas, Blocks de maquinas en aluminio.
5) Fundición en moldes metálicos
La fundición en moldes permanentes hechos de metal es utilizada para la producción
masiva de piezas de pequeño o regular tamaño, de alta calidad y con metales de baja
temperatura de fusión. Sus ventajas son que tienen gran precisión y son muy económicos,
cuando se producen grandes cantidades. Existen varios tipos de moldes metálicos utilizados
para la fabricación de piezas por lo regular de metales no ferrosos, a continuación se
mencionan algunos de las más utilizados.
6) Fundición en matrices
En este proceso el metal líquido se inyecta a presión en un molde metálico (matriz), la
inyección se hace a una presión entre 10 y 14 Mpa, las piezas logradas con este
procedimiento son de gran calidad en lo que se refiere a su terminado y a sus dimensiones.
Este procedimiento es uno de los más utilizados para la producción de grandes cantidades de
piezas fundidas. Se pueden utilizar dos tipos de sistema de inyección en la fundición en
matrices.


Cámara caliente
Cámara fría
El procedimiento de fusión en cámara caliente se realiza cuando un cilindro es sumergido
en el metal derretido y con un pistón se empuja el metal hacia una salida la que descarga a
la matriz. Las aleaciones más utilizadas en este método son las de bajo punto de fusión
como las de zinc, estaño y plomo. Las piezas que se producen son de 20 a 40 kg y se llegan
a manejar presiones superiores a los 35 Mpa. Es un proceso rápido que se puede fácilmente
mecanizar.
Fundición con cámara caliente
El proceso con cámara fría se lleva metal fundido por medio de un cucharón hasta un
cilindro por el cual corre un pistón que empuja al metal a la matriz de fundición, las piezas
obtenidas son de unos cuantos gramos a 10 kg y sólo es recomendable en trabajos de poca
producción.
7) Fundición en cámara fría
Fundición con molde permanente por gravedad
Este tipo de fundición es utilizado para piezas en las que la calidad de terminado y
dimensional no está sujeto a restricciones de calidad, debido a que la única fuente de
energía que obliga al metal a llenar la cavidad del molde es la fuerza de la gravedad, un
ejemplo de la utilización de este método el la fabricación de lingotes de metal.
La fusión de moldes de baja presión
Es un sistema de fusión que consiste en la colocación de un tallo sobre un crisol
sellado, al inyectar presión al centro del crisol la única salida del metal fundido será el tallo
por lo que se genera el flujo del metal por el tallo hasta que se llena la matriz y se forma la
pieza.
Con este procedimiento se pueden fabricar piezas hasta de 30 kg y es rentable para
grandes cantidades de piezas sin grandes requerimientos de calidad.
Fundición
a
vacio
8) Fundición hueca
Es un sistema de producción de piezas metálicas huecas sin corazones fijos. Consiste
en vaciar metal fundido en un molde que es volteado cuando se empieza a solidificar el
metal. El metal que no se ha solidificado sale del molde para ser utilizado en otra pieza y el
metal solidificado forma las paredes de la pieza. El resultado son paredes delgadas de metal.
9) Fundición prensada o de Corthias
Es un proceso para producir piezas huecas pero de mayor calidad que la fundición
hueca. Se vacía una cantidad específica de metal fundido en el interior de un molde con un
extremo abierto por el que se introduce un corazón que obliga al metal fundido a distribuirse
uniformemente en todo el molde, una vez que empieza a solidificarse el metal del molde, se
extrae el corazón, lo que origina una pieza de buena calidad. Este sistema de fundición es
considerado como artesanal y sólo es rentable cuando se van a fabricar pocas piezas.
10) Fundición centrífuga
La fundición centrífuga es un método en el que aprovecha la fuerza centrífuga que se
puede general al hacer girar el metal en tordo de un eje. Existen tres tipos de fundición
centrífuga:
I.
II.
III.
Fundición centrífuga real
Fundición semicentrífuga
Centrifugado
I) Fundición centrífuga real
Es el procedimiento utilizado para la fabricación de tubos sin costura, camisas y
objetos simétricos, los moldes se llenan del material fundido de manera uniforme y se hace
girar al molde sobre su eje de rotación.
II) Fundición semicentrífuga
Es un método en el que el material fundido se hace llegar a los extremos de los
moldes por la fuerza centrífuga que genera hacer girar a los moldes, los extremos se llenan
del material fundido, con buena densidad y uniformidad. El centro tiene poco material o de
poca densidad. Por lo regular el centro en este tipo de sistemas de fundición es maquinado
posteriormente.
III) Centrifugado
Es un sistema donde por medio de un tallo se hace llegar metal fundido a racimos de
piezas colocadas simétricamente en la periferia. Al poner a girar el sistema se genera fuerza
centrífuga la que es utilizada para aumentar la uniformidad del metal que llena las cavidades
de los moldes.
11) Proceso de fundición a la cera perdida
Es un proceso muy antiguo para la fabricación de piezas artísticas. Consiste en la
creación de un modelo en cera de la pieza que se requiere, este modelo debe tener
exactamente las características deseadas en la pieza a fabricar. El modelo de cera es
cubierto con yeso o un material cerámico que soporte el metal fundido. Para que seque ese
material cerámico se introduce a un horno, con ello el material cerámico se endurece y el
modelo de cera se derrite. En el molde fabricado se vacía el metal fundido y se obtiene la
pieza deseada. Es un proceso que es utilizado para la fabricación de piezas ornamentales
únicas o con muy pocas copias.
12) Proceso de cáscara cerámica
Es un proceso parecido al de la cera perdida, sólo que en este proceso el modelo de
cera o un material de bajo punto de fusión se introduce varias veces en una lechada
refractaria (yeso con polvo de mármol) la que cada vez que el modelo se introduce este se
recubre de una capa de la mezcla, generando una cubierta en el modelo. Posteriormente el
modelo y su cáscara se meten en un horno con lo que el material refractario se endurecerá y
el modelo se derrite. Así se tiene un molde listo para ser llenado con un metal y producir una
fundición sólida o hueca.
13) Fundición en molde de yeso
Cuando se desea la fabricación de varios tipos de piezas de tamaño reducido y de
baja calidad en su terminado superficial, se utiliza el proceso de fundición en molde de yeso.
Este consiste en la incrustación de las piezas modelo que se desean fundir, en una caja llena
con pasta de yeso, cuando se ha endurecido el yeso, se extraen las piezas que sirvieron de
modelo y por gravedad se llenan las cavidades con metal fundido. El sistema anterior puede
producir grandes cantidades de piezas fundidas con las formas deseadas.
III) VACIADOS EN ARENA
A parte de los metales metalúrgicos formados por métodos en que interviene la
metalurgia de polvos, los metales y las aleaciones se funden primero y luego se vacían en un
molde de forma predeterminada. En algunos casos, el molde puede ser de forma simple
obteniéndose lingote que subsecuentemente se forma plásticamente por forjado, laminado o
extrusión.
Pasos básicos en un proceso de vaciado de arena:
Requiere primero del moldeo en arena de fundición, alrededor de un patrón
adecuado de tal manera que este pueda retirarse, dejando un cavidad de la forma requerida
en arena. Para facilitar este procedimiento, el molde de arena se divide en dos o mas partes.
En vaciados de formas simples, puede usarse un molde de dos partes, en el que cada
mitad esta contenida en un marco en forma de caja.
IV) Composición química y característica de la arena de molde
Arena Sílica (SiO2) se encuentra en muchos depósitos naturales, y es adecuada para
propósitos de moldeo por que puede resistir altas temperaturas sin descomponerse. Esta
arena es de bajo costo, tiene gran duración y se consigue en una gran variedad de tamaño y
formas de grano. Por otra parte, tiene una alta relación de expansión cuando esta sometida
al calor y tiene cierta tendencia a fusionarse con el metal.
La arena sílica pura no es conveniente por si misma para el trabajo de moldeo puesto
que adolece de propiedades aglomerantes. Las propiedades aglomerantes se pueden obtener
por adición de 8 a 16% de arcilla. Los tres tipos de arcilla comúnmente usados son, la
Caolinita, Ilita y Bentonita. Esta ultima, usadas con mas frecuencia, proviene de cenizas
volcánicas.
Arenas naturales (semisintéticas): estas se han formado por la erosión de las rocas
ígneas; se mezclan adecuadamente con arcillas al extraerlos en las canteras y solo se
requiere agregarles agua para obtener una arena conveniente para moldeos de piezas
fundidas de hierro y metales no ferrosos. La gran cantidad de materia orgánica encontrada
en las arenas naturales impiden que sean lo suficientemente refractarias para usos en
temperaturas elevadas, tal y como en el modelo de metales y aleaciones con alto punto de
fusión.
Las arenas de moldeo sintéticas se componen de Sílice lava de granos agudos, a lo
que se añade 3 a 5% de arcilla. Con las arenas sintéticas se generan menos gas ya que se
requiere menos del 5% de humedad para que desarrolle su resistencia adecuada.
V) Modelos y sus diferentes tipos
Modelos desechables y removibles
Los moldes se fabrican por medio de modelos los que pueden ser de madera,
plástico, cera, yeso, arena, poliuretano, metal, etc. Si los modelos se destruyen al elaborar la
pieza, se dice que éstos son disponibles o desechables y si los modelos sirven para varias
fundiciones se les llama removibles.
VI) Tolerancias en los modelos
En el diseño de los modelos que se utilizan para construir un molde es necesario tener en
consideración varias tolerancias.
1. Tolerancia para la contracción. Se debe tener en consideración que un material al
enfriarse se contrae dependiendo del tipo de metal que se esté utilizando, por lo que
los modelos deberán ser más grandes que las medidas finales que se esperan
obtener.
2. Tolerancia para la extracción. Cuando se tiene un modelo que se va a remover es
necesario agrandar las superficies por las que se deslizará, al fabricar estas
superficies se deben considerar en sus dimensiones la holgura por extracción.
3. Tolerancia por acabado. Cuando una pieza es fabricada en necesario realizar algún
trabajo de acabado o terminado de las superficies generadas, esto se logra puliendo
o quitando algún material de las piezas producidas por lo que se debe considerar en
el modelo esta rebaja de material.
4. Tolerancia de distorsión. Cuando una pieza es de superficie irregular su enfriamiento
también es irregular y por ello su contracción es irregular generando la distorsión de
la pieza, estos efectos deberán ser tomados en consideración en el diseño de los
modelos.
5. Golpeteo. En algunas ocasiones se golpean los modelos para ser extraídos de los
moldes, acción que genera la modificación de las dimensiones finales de las piezas
obtenidas, estas pequeñas modificaciones deben ser tomadas en consideración en la
fabricación de los modelos.
VII) Machos o Núcleos
Si la pieza que se quiere fabricar es hueca, será necesario disponer machos que
eviten que el metal fundido rellene dichas oquedades. Los machos se elaboran con arenas
especiales debido a que deben ser más resistentes que el molde, ya que es necesario
manipularlos manualmente para su colocación en el molde. Una vez colocado, se juntas
ambas caras del molde y se sujetan.
VIII) Tipos de hornos usados en fundición:
El cubilote de fundición.
Los hornos de reversos.
Hornos rotatorios.
Hornos de crisol.
Hornos de crisol de tipo sosa.
Hornos basculantes.
Hornos de aire.
Hornos eléctricos. Pueden ser de acero o de inducción.
IX) Horno de cubilote
Son equipos muy económicos y de poco mantenimiento, se utilizan para hacer
fundición de hierros colados. Consisten en un tubo de más de 4 metros de longitud y pueden
tener desde 0.8 a 1.4 m de diámetro, se cargan por la parte superior con camas de chatarra
de hierro, coque y piedra caliza. Para la combustión del coque se inyecta aire con unos
ventiladores de alta presión, este accede al interior por unas toberas ubicadas en la parte
inferior del horno. También estos hornos se pueden cargar con pelets de mineral de hierro o
pedacería de arrabio sólido.
Por cada kilogramo de coque que se consume en el horno, se procesan de 8 a 10
kilogramos de hierro y por cada tonelada de hierro fundido se requieren 40kg de piedra
caliza y 5.78 metros cúbicos de aire a 100 kPa a 15.5°C.
Los hornos de cubilote pueden producir colados de hasta 20 toneladas cada tres
horas. Este tipo de equipo es muy parecido al alto horno, sólo sus dimensiones disminuyen
notablemente. El mayor problema de estos hornos es que sus equipos para el control de
emisiones contaminantes es más costoso que el propio horno, por ello no se controlan sus
emisiones de polvo y por lo tanto no se autoriza su operación.