Instituto Tecnológico de Tuxtla Gutiérrez

Instituto Tecnológico de Tuxtla Gutiérrez.
Ingeniería Mecánica.
Procesos de Manufactura.
M. en C. Roberto Carlos García Gómez
Unidad 2
La Siderurgia, es una tecnología relacionada con la producción del hierro y
sus aleaciones, en especial las que contienen un pequeño porcentaje de
carbono, que constituyen los diferentes tipos de acero. A veces, las diferencias
entre las distintas clases de hierro y acero resultan confusas por la
nomenclatura empleada. En general, el acero es una aleación de hierro y
carbono a la que suelen añadirse otros elementos. Algunas aleaciones
denominadas ‘hierros’ contienen más carbono que algunos aceros comerciales.
El hierro de crisol abierto y el hierro forjado contienen un porcentaje de carbono
de sólo unas centésimas. Los distintos tipos de acero contienen entre el 0,04 y
el 2,25% de carbono. El hierro colado, el hierro colado maleable y el arrabio
contienen entre un 2 y un 4% de carbono. Hay una forma especial de hierro
maleable que no contiene casi carbono alguno. Para fabricar aleaciones de
hierro y acero se emplea un tipo especial de aleaciones de hierro denominadas
ferroaleaciones, que contienen entre un 20 y un 80% del elemento de aleación,
que puede ser manganeso, silicio o cromo.
HISTORIA
No se conoce con exactitud la fecha en que se
descubrió la técnica de fundir mineral de hierro
para producir un metal susceptible de ser utilizado.
Los primeros utensilios de hierro descubiertos por
los arqueólogos en Egipto datan del año
3000 a.C., y se sabe que antes de esa época se empleaban adornos de hierro.
Los griegos ya conocían hacia el 1000 a.C. la técnica, de cierta complejidad,
para endurecer armas de hierro mediante tratamiento térmico.
Las aleaciones producidas por los primeros artesanos del hierro (y, de hecho,
todas las aleaciones de hierro fabricadas hasta el siglo XIV d.C.) se
clasificarían en la actualidad como hierro forjado. Para producir esas
aleaciones se calentaba una masa de mineral de hierro y carbón vegetal en un
horno o forja con tiro forzado. Ese tratamiento reducía el mineral a una masa
esponjosa de hierro metálico llena de una escoria formada por impurezas
metálicas y cenizas de carbón vegetal. Esta esponja de hierro se retiraba
mientras permanecía incandescente y se golpeaba con pesados martillos para
expulsar la escoria y soldar y consolidar el hierro. El hierro producido en esas
condiciones solía contener un 3% de partículas de escoria y un 0,1% de otras
impurezas. En ocasiones esta técnica de fabricación producía accidentalmente
auténtico acero en lugar de hierro forjado. Los artesanos del hierro aprendieron
a fabricar acero calentando hierro forjado y carbón vegetal en recipientes de
arcilla durante varios días, con lo que el hierro absorbía suficiente carbono para
convertirse en acero auténtico.
Después del siglo XIV se aumentó el tamaño de los hornos utilizados para la
fundición y se incrementó el tiro para forzar el paso de los gases de combustión
por la carga o mezcla de materias primas. En estos hornos de mayor tamaño el
mineral de hierro de la parte superior del horno se reducía a hierro metálico y a
continuación absorbía más carbono como resultado de los gases que lo
atravesaban. El producto de estos hornos era el llamado arrabio, una aleación
que funde a una temperatura menor que el acero o el hierro forjado. El arrabio
se refinaba después para fabricar acero.
La producción moderna de acero emplea altos hornos que son modelos
perfeccionados de los usados antiguamente. El proceso de refinado del arrabio
mediante chorros de aire se debe al inventor británico Henry Bessemer, que en
1855 desarrolló el horno o convertidor que lleva su nombre. Desde la década
de 1960 funcionan varios minihornos que emplean electricidad para producir
acero a partir de material de chatarra. Sin embargo, las grandes instalaciones
de altos hornos continúan siendo esenciales para producir acero a partir de
mineral de hierro.
PRODUCCIÓN DE ARRABIO.
Los materiales básicos empleados para fabricar arrabio son mineral de hierro,
coque y caliza. El coque se quema como combustible para calentar el horno, y
al arder libera monóxido de carbono, que se combina con los óxidos de hierro
del mineral y los reduce a hierro metálico. La ecuación de la reacción química
fundamental de un alto horno es
Fe2O3 + 3 CO → 3 CO2 + 2 Fe
La caliza de la carga del horno se emplea como fuente adicional de monóxido
de carbono y como sustancia fundente. Este material se combina con la sílice
presente en el mineral (que no se funde a las temperaturas del horno) para
formar silicato de calcio, de menor punto de fusión. Sin la caliza se formaría
silicato de hierro, con lo que se perdería hierro metálico. El silicato de calcio y
otras impurezas forman una escoria que flota sobre el metal fundido en la parte
inferior del horno. El arrabio producido en los altos hornos tiene la siguiente
composición: un 92% de hierro, un 3 o 4% de carbono, entre 0,5 y 3% de
silicio, del 0,25% al 2,5% de manganeso, del 0,04 al 2% de fósforo y algunas
partículas de azufre.
Un alto horno típico está formado por una cápsula cilíndrica de acero forrada
con un material no metálico y resistente al calor, como asbesto o ladrillos
refractarios. El diámetro de la cápsula disminuye hacia arriba y hacia abajo, y
es máximo en un punto situado aproximadamente a una cuarta parte de su
altura total. La parte inferior del horno está dotada de varias aberturas tubulares
llamadas toberas, por donde se fuerza el paso del aire. Cerca del fondo se
encuentra un orificio por el que fluye el arrabio cuando se sangra (o vacía) el
alto horno. Encima de ese orificio, pero debajo de las toberas, hay otro agujero
para retirar la escoria. La parte superior del horno, cuya altura es de unos 30 m,
contiene respiraderos para los gases de escape, y un par de tolvas redondas,
cerradas por válvulas en forma de campana, por las que se introduce la carga
en el horno. Los materiales se llevan hasta las tolvas en pequeñas vagonetas o
cucharas que se suben por un elevador inclinado situado en el exterior del
horno.
Los altos hornos funcionan de forma continua. La materia prima que se va a
introducir en el horno se divide en un determinado número de pequeñas cargas
que se introducen a intervalos de entre 10 y 15 minutos. La escoria que flota
sobre el metal fundido se retira una vez cada dos horas, y el hierro se sangra
cinco veces al día.
El aire insuflado en el alto horno se precalienta a una temperatura comprendida
entre los 550 y los 900 ºC. El calentamiento se realiza en las llamadas estufas,
cilindros con estructuras de ladrillo refractario. El ladrillo se calienta durante
varias horas quemando gas de alto horno, que son los gases de escape que
salen de la parte superior del horno. Después se apaga la llama y se hace
pasar el aire a presión por la estufa. El peso del aire empleado en un alto horno
supera el peso total de las demás materias primas.
Después de la II Guerra Mundial se introdujo un importante avance en la
tecnología de altos hornos: la presurización de los hornos. Estrangulando el
flujo de gas de los respiraderos del horno es posible aumentar la presión del
interior del horno hasta 1,7 atmósferas o más. La técnica de presurización
permite una mejor combustión del coque y una mayor producción de hierro. En
muchos altos hornos puede lograrse un aumento de la producción de un 25%.
En instalaciones experimentales también se ha demostrado que la producción
se incrementa enriqueciendo el aire con oxígeno.
El proceso de sangrado consiste en retirar a golpes un tapón de arcilla del
orificio del hierro cercano al fondo del horno y dejar que el metal fundido fluya
por un canal cubierto de arcilla y caiga a un depósito metálico forrado de
ladrillo, que puede ser una cuchara o una vagoneta capaz de contener hasta
100 toneladas de metal. Cualquier escoria o sobrante que salga del horno junto
con el metal se elimina antes de llegar al recipiente. A continuación, el
contenedor lleno de arrabio se transporta a la fábrica siderúrgica.
Los altos hornos modernos funcionan en combinación con hornos básicos de
oxígeno, y a veces con hornos de crisol abierto, más antiguos, como parte de
una única planta siderúrgica. En esas plantas, los hornos siderúrgicos se
cargan con arrabio. El metal fundido procedente de diversos altos hornos
puede mezclarse en una gran cuchara antes de convertirlo en acero con el fin
de minimizar el efecto de posibles irregularidades de alguno de los hornos.
OTROS MÉTODOS DE REFINADO DEL HIERRO.
Aunque casi todo el hierro y acero que se fabrica en el mundo se obtiene a
partir de arrabio producido en altos hornos, hay otros métodos de refinado del
hierro que se han practicado de forma limitada. Uno de ellos es el denominado
método directo para fabricar hierro y acero a partir del mineral, sin producir
arrabio. En este proceso se mezclan mineral de hierro y coque en un horno de
calcinación rotatorio y se calientan a una temperatura de unos 950 ºC. El coque
caliente desprende monóxido de carbono, igual que en un alto horno, y reduce
los óxidos del mineral a hierro metálico. Sin embargo, no tienen lugar las
reacciones secundarias que ocurren en un alto horno, y el horno de calcinación
produce la llamada esponja de hierro, de mucha mayor pureza que el arrabio.
También puede producirse hierro prácticamente puro mediante electrólisis
haciendo pasar una corriente eléctrica a través de una disolución de cloruro de
hierro (II). Ni el proceso directo ni el electrolítico tienen importancia comercial
significativa.
PROCESO DE CRISOL ABIERTO.
Cualquier proceso de producción de acero a partir de arrabio consiste en
quemar el exceso de carbono y otras impurezas presentes en el hierro. Una
dificultad para la fabricación del acero es su elevado punto de fusión, 1.400 ºC,
que impide utilizar combustibles y hornos convencionales. Para superar la
dificultad se desarrolló el horno de crisol abierto, que funciona a altas
temperaturas gracias al precalentado regenerativo del combustible gaseoso y
el aire empleados para la combustión. En el precalentado regenerativo los
gases que escapan del horno se hacen pasar por una serie de cámaras llenas
de ladrillos, a los que ceden la mayor parte de su calor. A continuación se
invierte el flujo a través del horno, y el combustible y el aire pasan a través de
las cámaras y son calentados por los ladrillos. Con este método, los hornos de
crisol abierto alcanzan temperaturas de hasta 1.650 ºC.
El horno propiamente dicho suele ser un crisol de ladrillo plano y rectangular de
unos 6 × 10 m, con un techo de unos 2,5 m de altura. Una serie de puertas da
a una planta de trabajo situada delante del crisol. Todo el crisol y la planta de
trabajo están situados a una altura determinada por encima del suelo, y el
espacio situado bajo el crisol lo ocupan las cámaras de regeneración de calor
del horno. Un horno del tamaño indicado produce unas 100 toneladas de acero
cada 11 horas.
El horno se carga con una mezcla de arrabio (fundido o frío), chatarra de acero
y mineral de hierro, que proporciona oxígeno adicional. Se añade caliza como
fundente y fluorita para hacer que la escoria sea más fluida. Las proporciones
de la carga varían mucho, pero una carga típica podría consistir en 60.000 kg
de chatarra de acero, 11.000 kg de arrabio frío, 45.000 kg de arrabio fundido,
12.000 kg de caliza, 1.000 kg de mineral de hierro y 200 kg de fluorita. Una vez
cargado el horno, se enciende, y las llamas oscilan de un lado a otro del crisol
a medida que el operario invierte su dirección para regenerar el calor.
Desde el punto de vista químico la acción del horno de crisol abierto consiste
en reducir por oxidación el contenido de carbono de la carga y eliminar
impurezas como silicio, fósforo, manganeso y azufre, que se combinan con la
caliza y forman la escoria. Estas reacciones tienen lugar mientras el metal del
horno se encuentra a la temperatura de fusión, y el horno se mantiene entre
1.550 y 1.650 ºC durante varias horas hasta que el metal fundido tenga el
contenido de carbono deseado. Un operario experto puede juzgar el contenido
de carbono del metal a partir de su aspecto, pero por lo general se prueba la
fundición extrayendo una pequeña cantidad de metal del horno, enfriándola y
sometiéndola a examen físico o análisis químico. Cuando el contenido en
carbono de la fundición alcanza el nivel deseado, se sangra el horno a través
de un orificio situado en la parte trasera. El acero fundido fluye por un canal
corto hasta una gran cuchara situada a ras de suelo, por debajo del horno.
Desde la cuchara se vierte el acero en moldes de hierro colado para formar
lingotes, que suelen tener una sección cuadrada de unos 50 cm de lado, y una
longitud de 1,5 m. Estos lingotes —la materia prima para todas las formas de
fabricación del acero— pesan algo menos de 3 toneladas. Recientemente se
han puesto en práctica métodos para procesar el acero de forma continua sin
tener que pasar por el proceso de fabricación de lingotes.
PROCESO BÁSICO DE OXÍGENO.
El proceso más antiguo para fabricar acero en grandes cantidades es el
proceso Bessemer, que empleaba un horno de gran altura en forma de pera,
denominado convertidor Bessemer, que podía inclinarse en sentido lateral para
la carga y el vertido. Al hacer pasar grandes cantidades de aire a través del
metal fundido, el oxígeno del aire se combinaba químicamente con las
impurezas y las eliminaba.
En el proceso básico de oxígeno, el acero también se refina en un horno en
forma de pera que se puede inclinar en sentido lateral. Sin embargo, el aire se
sustituye por un chorro de oxígeno casi puro a alta presión. Cuando el horno se
ha cargado y colocado en posición vertical, se hace descender en su interior
una lanza de oxígeno. La punta de la lanza, refrigerada por agua, suele estar
situada a unos 2 m por encima de la carga, aunque esta distancia se puede
variar según interese. A continuación se inyectan en el horno miles de metros
cúbicos de oxígeno a velocidades supersónicas. El oxígeno se combina con el
carbono y otros elementos no deseados e inicia una reacción de agitación que
quema con rapidez las impurezas del arrabio y lo transforma en acero. El
proceso de refinado tarda 50 minutos o menos, y es posible fabricar unas 275
toneladas de acero en una hora.
ACERO DE HORNO ELÉCTRICO.
En algunos hornos el calor para fundir y refinar el acero procede de la
electricidad y no de la combustión de gas. Como las condiciones de refinado de
estos hornos se pueden regular más estrictamente que las de los hornos de
crisol abierto o los hornos básicos de oxígeno, los hornos eléctricos son sobre
todo útiles para producir acero inoxidable y aceros aleados que deben ser
fabricados según unas especificaciones muy exigentes. El refinado se produce
en una cámara hermética, donde la temperatura y otras condiciones se
controlan de forma rigurosa mediante dispositivos automáticos. En las primeras
fases de este proceso de refinado se inyecta oxígeno de alta pureza a través
de una lanza, lo que aumenta la temperatura del horno y disminuye el tiempo
necesario para producir el acero. La cantidad de oxígeno que entra en el horno
puede regularse con precisión en todo momento, lo que evita reacciones de
oxidación no deseadas.
En la mayoría de los casos, la carga está formada casi exclusivamente por
material de chatarra. Antes de poder utilizarla, la chatarra debe ser analizada y
clasificada, porque su contenido en aleaciones afecta a la composición del
metal refinado. También se añaden otros materiales, como pequeñas
cantidades de mineral de hierro y cal seca, para contribuir a eliminar el carbono
y otras impurezas. Los elementos adicionales para la aleación se introducen
con la carga o después, cuando se vierte a la cuchara el acero refinado.
Una vez cargado el horno se hacen descender unos electrodos hasta la
superficie del metal. La corriente eléctrica fluye por uno de los electrodos,
forma un arco eléctrico hasta la carga metálica, recorre el metal y vuelve a
formar un arco hasta el siguiente electrodo. La resistencia del metal al flujo de
corriente genera calor, que —junto con el producido por el arco eléctrico—
funde el metal con rapidez. Hay otros tipos de horno eléctrico donde se emplea
una espiral para generar calor.
PROCESOS DE ACABADO.
El acero se vende en una gran variedad de formas y tamaños, como varillas,
tubos, raíles (rieles) de ferrocarril o perfiles en H o en T. Estas formas se
obtienen en las instalaciones siderúrgicas laminando los lingotes calientes o
modelándolos de algún otro modo. El acabado del acero mejora también su
calidad al refinar su estructura cristalina y aumentar su resistencia.
El método principal de trabajar el acero se conoce como laminado en caliente.
En este proceso, el lingote colado se calienta al rojo vivo en un horno
denominado foso de termodifusión y a continuación se hace pasar entre una
serie de rodillos metálicos colocados en pares que lo aplastan hasta darle la
forma y tamaño deseados. La distancia entre los rodillos va disminuyendo a
medida que se reduce el espesor del acero.
El primer par de rodillos por el que pasa el lingote se conoce como tren de
desbaste o de eliminación de asperezas. Después del tren de desbaste, el
acero pasa a trenes de laminado en bruto y a los trenes de acabado que lo
reducen a láminas con la sección transversal correcta. Los rodillos para
producir raíles o rieles de ferrocarril o perfiles en H, en T o en L tienen estrías
para proporcionar la forma adecuada.
Los procesos modernos de fabricación requieren gran cantidad de chapa de
acero delgada. Los trenes o rodillos de laminado continuo producen tiras y
láminas con anchuras de hasta 2,5 m. Estos laminadores procesan con rapidez
la chapa de acero antes de que se enfríe y no pueda ser trabajada. Las
planchas de acero caliente de más de 10 cm de espesor se pasan por una
serie de cilindros que reducen progresivamente su espesor hasta unos 0,1 cm
y aumentan su longitud de 4 a 370 metros. Los trenes de laminado continuo
están equipados con una serie de accesorios como rodillos de borde, aparatos
de decapado o eliminación y dispositivos para enrollar de modo automático la
chapa cuando llega al final del tren. Los rodillos de borde son grupos de rodillos
verticales situados a ambos lados de la lámina para mantener su anchura. Los
aparatos de decapado eliminan la costra que se forma en la superficie de la
lámina apartándola mecánicamente, retirándola mediante un chorro de aire o
doblando de forma abrupta la chapa en algún punto del recorrido. Las bobinas
de chapa terminadas se colocan sobre una cinta transportadora y se llevan a
otro lugar para ser recocidas y cortadas en chapas individuales. Una forma más
eficiente para producir chapa de acero delgada es hacer pasar por los rodillos
planchas de menor espesor. Con los métodos convencionales de fundición
sigue siendo necesario pasar los lingotes por un tren de desbaste para producir
planchas lo bastante delgadas para el tren de laminado continuo.
El sistema de colada continua, en cambio, produce una plancha continua de
acero con un espesor inferior a 5 cm, lo que elimina la necesidad de trenes de
desbaste y laminado en bruto.
TUBOS
Los tubos más baratos se forman doblando una tira plana de acero caliente en
forma cilíndrica y soldando los bordes para cerrar el tubo. En los tubos más
pequeños, los bordes de la tira suelen superponerse y se pasan entre un par
de rodillos curvados según el diámetro externo del tubo. La presión de los
rodillos es suficiente para soldar los bordes. Los tubos sin soldaduras se
fabrican a partir de barras sólidas haciéndolas pasar entre un par de rodillos
inclinados entre los que está situada una barra metálica con punta, llamada
mandril, que perfora las barras y forma el interior del tubo mientras los rodillos
forman el exterior.
HOJALATA
El producto de acero recubierto más importante es la hojalata estañada que se
emplea para la fabricación de latas y envases. El material de las latas contiene
más de un 99% de acero. En algunas instalaciones, las láminas de acero se
pasan por un baño de estaño fundido (después de laminarlas primero en
caliente y luego en frío) para estañarlas. El método de recubrimiento más
común es el proceso electrolítico. La chapa de acero se desenrolla poco a poco
de la bobina y se le aplica una solución química. Al mismo tiempo se hace
pasar una corriente eléctrica a través de un trozo de estaño puro situado en
esa misma solución, lo que hace que el estaño se disuelva poco a poco y se
deposite sobre el acero. Con este sistema, medio kilogramo de estaño basta
para recubrir 20 metros cuadrados de acero. En la hojalata delgada, la chapa
recibe un segundo laminado en frío antes de recubrirla de estaño, lo que
aumenta la resistencia de la chapa además de su delgadez. Las latas hechas
de hojalata delgada tienen una resistencia similar a las ordinarias, pero
contienen menos acero, con lo que se reduce su peso y su coste. También
pueden fabricarse envases ligeros adhiriendo una delgadísima lámina de acero
estañado sobre papel o cartón.
Otros procesos de fabricación de acero son la forja, la fundición y el uso de
troqueles.
HIERRO FORJADO
El proceso antiguo para fabricar la aleación resistente y maleable conocida
como hierro forjado se diferencia con claridad de otras formas de fabricación de
acero. Debido a que el proceso, conocido como pudelización, exigía un mayor
trabajo manual, era imposible producir hierro forjado en grandes cantidades. El
desarrollo de nuevos sistemas con convertidores Bessemer y hornos de crisol
abierto permitieron producir un volumen mayor de hierro forjado.
Sin embargo, el hierro forjado ya no se fabrica habitualmente con fines
comerciales, debido a que se puede sustituir en casi todas las aplicaciones por
acero de bajo contenido en carbono, con menor costo de producción y calidad
más uniforme.
El horno de pudelización empleado en el proceso antiguo tiene un techo
abovedado de poca altura y un crisol cóncavo en el que se coloca el metal en
bruto, separado por una pared de la cámara de combustión donde se quema
carbón bituminoso. La llama de la cámara de combustión asciende por encima
de la pared, incide en el techo abovedado y reverbera sobre el contenido del
crisol. Cuando el horno ha adquirido un calor moderado, el operario que
maneja el horno recubre el crisol y las paredes con una pasta de óxido de
hierro, por lo general hematites. A continuación, el horno se carga con unos
250 kg de arrabio y se cierra la puerta. Al cabo de unos 30 minutos, el arrabio
se ha fundido, y el operario añade a la carga más óxido de hierro o residuos de
laminado, mezclándolos con el hierro con una barra de hierro curvada. El silicio
y la mayor parte del manganeso contenidos en el hierro se oxidan, y se elimina
parte del azufre y el fósforo. A continuación se eleva un poco la temperatura del
horno, y el carbono empieza a quemarse formando óxidos de carbono
gaseosos. Según se desprende gas la escoria aumenta de volumen y el nivel
de la carga sube. Al quemarse el carbono, la temperatura de fusión aumenta, y
la carga se vuelve cada vez más pastosa y vuelve a su nivel anterior. A medida
que se incrementa la pureza del hierro, el operario remueve la carga con la
barra para garantizar una composición uniforme y una cohesión adecuada de
las partículas. La masa resultante, pastosa y esponjosa, se divide en pedazos o
bolas de unos 80 o 90 kg. Las bolas se retiran del horno con unas tenazas y se
colocan directamente en una prensa que expulsa de la bola la mayor parte de
la escoria de silicio mezclada y suelda entre sí los granos de hierro puro. A
continuación se corta el hierro en piezas planas que se apilan unas sobre otras,
se calientan hasta la temperatura de soldadura y se laminan para formar una
sola pieza. A veces se repite el proceso de laminado para mejorar la calidad del
producto.
La técnica moderna para fabricar hierro forjado emplea hierro fundido
procedente de un convertidor Bessemer y escoria fundida, que suele
prepararse fundiendo mineral de hierro, residuos de laminado y arena en un
horno de crisol abierto. Cuando el hierro fundido, que lleva disuelta una gran
cantidad de gas, se vierte en la cuchara que contiene la escoria fundida, el
metal se solidifica de modo casi instantáneo y libera el gas disuelto. La fuerza
ejercida por el gas hace estallar el metal en partículas diminutas que son más
pesadas que la escoria y se acumulan en el fondo de la cuchara, donde se
aglomeran formando una masa esponjosa similar a las bolas producidas en un
horno de pudelización. Cuando se vierte la escoria de la parte superior de la
cuchara se retira la bola de hierro y se la somete al mismo tratamiento que el
producto del horno de pudelización.
CLASIFICACIÓN DEL ACERO
Los diferentes tipos de acero se agrupan en cinco clases principales: aceros al
carbono, aceros aleados, aceros de baja aleación ultrarresistentes, aceros
inoxidables y aceros de herramientas.

Aceros al carbono Más del 90% de todos los aceros son aceros al
carbono. Estos aceros contienen diversas cantidades de carbono y
menos del 1,65% de manganeso, el 0,60% de silicio y el 0,60% de
cobre. Entre los productos fabricados con aceros al carbono figuran
máquinas, carrocerías de automóvil, la mayor parte de las estructuras de
construcción de acero, cascos de buques, somieres y horquillas o
pasadores para el pelo.

Aceros aleados Estos aceros contienen una proporción determinada de
vanadio, molibdeno y otros elementos, además de cantidades mayores
de manganeso, silicio y cobre que los aceros al carbono normales. Estos
aceros se emplean, por ejemplo, para fabricar engranajes y ejes de
motores, patines o cuchillos de corte.

Aceros de baja aleación ultrarresistentes Esta familia es la más reciente
de las cinco grandes clases de acero. Los aceros de baja aleación son
más baratos que los aceros aleados convencionales ya que contienen
cantidades menores de los costosos elementos de aleación. Sin
embargo, reciben un tratamiento especial que les da una resistencia
mucho mayor que la del acero al carbono. Por ejemplo, los vagones de
mercancías fabricados con aceros de baja aleación pueden transportar
cargas más grandes porque sus paredes son más delgadas que lo que
sería necesario en caso de emplear acero al carbono. Además, como los
vagones de acero de baja aleación pesan menos, las cargas pueden ser
más pesadas. En la actualidad se construyen muchos edificios con
estructuras de aceros de baja aleación. Las vigas pueden ser más
delgadas sin disminuir su resistencia, logrando un mayor espacio interior
en los edificios.

Aceros inoxidables Los aceros inoxidables contienen cromo, níquel y
otros elementos de aleación, que los mantienen brillantes y resistentes a
la herrumbre y oxidación a pesar de la acción de la humedad o de
ácidos y gases corrosivos. Algunos aceros inoxidables son muy duros;
otros son muy resistentes y mantienen esa resistencia durante largos
periodos a temperaturas extremas. Debido a sus superficies brillantes,
en arquitectura se emplean muchas veces con fines decorativos. El
acero inoxidable se utiliza para las tuberías y tanques de refinerías de
petróleo o plantas químicas, para los fuselajes de los aviones o para
cápsulas espaciales. También se usa para fabricar instrumentos y
equipos quirúrgicos, o para fijar o sustituir huesos rotos, ya que resiste a
la acción de los fluidos corporales. En cocinas y zonas de preparación
de alimentos los utensilios son a menudo de acero inoxidable, ya que no
oscurece los alimentos y pueden limpiarse con facilidad.

Aceros de herramientas Estos aceros se utilizan para fabricar muchos
tipos de herramientas y cabezales de corte y modelado de máquinas
empleadas en diversas operaciones de fabricación. Contienen volframio,
molibdeno y otros elementos de aleación, que les proporcionan mayor
resistencia, dureza y durabilidad.
ESTRUCTURA DEL ACERO
Las propiedades físicas de los aceros y su comportamiento a distintas
temperaturas dependen sobre todo de la cantidad de carbono y de su
distribución en el hierro. Antes del tratamiento térmico, la mayor parte de los
aceros son una mezcla de tres sustancias: ferrita, perlita y cementita. La ferrita,
blanda y dúctil, es hierro con pequeñas cantidades de carbono y otros
elementos en disolución. La cementita, un compuesto de hierro con el 7% de
carbono aproximadamente, es de gran dureza y muy quebradiza. La perlita es
una profunda mezcla de ferrita y cementita, con una composición específica y
una estructura característica, y sus propiedades físicas son intermedias entre
las de sus dos componentes. La resistencia y dureza de un acero que no ha
sido tratado térmicamente depende de las proporciones de estos tres
ingredientes. Cuanto mayor es el contenido en carbono de un acero, menor es
la cantidad de ferrita y mayor la de perlita: cuando el acero tiene un 0,8% de
carbono, está por completo compuesto de perlita. El acero con cantidades de
carbono aún mayores es una mezcla de perlita y cementita. Al elevarse la
temperatura del acero, la ferrita y la perlita se transforman en una forma
alotrópica de aleación de hierro y carbono conocida como austenita, que tiene
la propiedad de disolver todo el carbono libre presente en el metal. Si el acero
se enfría despacio, la austenita vuelve a convertirse en ferrita y perlita, pero si
el enfriamiento es repentino la austenita se convierte en martensita, una
modificación alotrópica de gran dureza similar a la ferrita pero con carbono en
solución sólida.
TRATAMIENTO TÉRMICO DEL ACERO
El proceso básico para endurecer el acero mediante tratamiento térmico
consiste en calentar el metal hasta una temperatura a la que se forma
austenita, generalmente entre los 750 y 850 ºC, y después enfriarlo con rapidez
sumergiéndolo en agua o aceite. Estos tratamientos de endurecimiento, que
forman martensita, crean grandes tensiones internas en el metal, que se
eliminan mediante el temple o el recocido, que consiste en volver a calentar el
acero hasta una temperatura menor. El temple reduce la dureza y resistencia y
aumenta la ductilidad y la tenacidad.
El objetivo fundamental del proceso de tratamiento térmico es controlar la
cantidad, tamaño, forma y distribución de las partículas de cementita
contenidas en la ferrita, que a su vez determinan las propiedades físicas del
acero.
Hay muchas variaciones del proceso básico. Los ingenieros metalúrgicos han
descubierto que el cambio de austenita a martensita se produce en la última
fase del enfriamiento, y que la transformación se ve acompañada de un cambio
de volumen que puede agrietar el metal si el enfriamiento es demasiado rápido.
Se han desarrollado tres procesos relativamente nuevos para evitar el
agrietamiento. En el templado prolongado, el acero se retira del baño de
enfriamiento cuando ha alcanzado la temperatura en la que empieza a
formarse la martensita, y a continuación se enfría despacio en el aire. En el
martemplado, el acero se retira del baño en el mismo momento que el
templado prolongado y se coloca en un baño de temperatura constante hasta
que alcanza una temperatura uniforme en toda su sección transversal.
Después se deja enfriar el acero en aire a lo largo del rango de temperaturas
de formación de la martensita, que en la mayoría de los aceros va desde unos
300 ºC hasta la temperatura ambiente. En el austemplado, el acero se enfría en
un baño de metal o sal mantenido de forma constante a la temperatura en que
se produce el cambio estructural deseado, y se conserva en ese baño hasta
que el cambio es completo, antes de pasar al enfriado final.
Hay también otros métodos de tratamiento térmico para endurecer el acero. En
la cementación, las superficies de las piezas de acero terminadas se
endurecen al calentarlas con compuestos de carbono o nitrógeno. Estos
compuestos reaccionan con el acero y aumentan su contenido de carbono o
forman nitruros en su capa superficial. En la carburización la pieza se calienta
cuando se mantiene rodeada de carbón vegetal, coque o de gases de carbono
como metano o monóxido de carbono. La cianurización consiste en endurecer
el metal en un baño de sales de cianuro fundidas para formar carburos y
nitruros. La nitrurización se emplea para endurecer aceros de composición
especial mediante su calentamiento en amoníaco gaseoso para formar nitruros
de aleación.
La Fundición es un proceso de producción de piezas metálicas a través del
vertido de metal fundido sobre un molde hueco, por lo general hecho de
arena. 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, la forja, la extrusión, el mecanizado y el laminado.
En la actualidad, el sector industrial da trabajo a una tercera parte de la
población activa de Indiana (EEUU) y es su principal actividad económica.
Aquí, un trabajador revisa la producción acerera y vierte el acero fundido a
1.600 ºC. Las industrias constructora y del automóvil mantienen a flote la
industria del acero, ya que éste es el material para estructuras de uso más
extendido.
En la cordillera andina, el subsuelo
peruano es muy rico en minerales
metálicos. Uno de los centros mineros más
importantes del país lo constituye La Oroya
(en la imagen), en el departamento de
Junín. La fundición de cobre y plomo de La
Oroya supone una fuente de ingresos
económicos notable para Perú, aunque ha
provocado serios daños al entorno
medioambiental, dando lugar a una
elevada contaminación de la ciudad y a la
denudación de las laderas montañosas
circundantes.
TIPOS DE FUNDICIÓN A LA ARENA
Existen dos métodos diferentes por los cuales la fundición a la arena se puede
producir. Se clasifica en fundición de tipo de modelo usado, ellos son: (1)
modelo removible y (2) modelo disponible.
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 poli estireno y en vez de extraer el modelo de la arena, se
vaporiza cuando el metal fundido es vaciado en el molde.
Para entender el proceso de fundición, es necesario conocer cómo se hace un
molde y qué factores son importantes para producir una buena fundición.
Los principales factores son:
1. Procedimiento de moldeo
2. Modelo
3. Arena
4. Corazones
5. Equipo Mecánico
6. Metal (Visto Previamente)
7. Vaciado y limpieza
PROCEDIMIENTO DE MOLDEO
Los moldes se clasifican según los materiales usados.
1. Moldes de arena de verde. Es el método más común que consiste en la
formación del molde con arena húmeda, usada en ambos procedimientos
previamente descritos. La figura siguiente muestra el procedimiento para la
fabricación de este tipo de moldes.
2. Moldes con capa seca. Dos métodos son generalmente usados en la
preparación de moldes con capa seca. En uno, la arena alrededor del
modelo a una profundidad aproximada de 10 mm se mezcla con un
compuesto de tal manera que se seca y se obtiene una superficie dura en el
molde. El resto del molde está hecho con arena en verde ordinaria. El otro
método es hacer el molde entero de arena en verde y luego cubrir su
superficie con un rociador de tal manera que se endurezca la arena cuando
el calor es aplicado.
Los rociadores usados para es propósito contienen aceite de linaza, agua de
melaza, almidón gelatinizado y soluciones líquidas similares. En ambos
métodos el molde debe secarse de dos maneras: por aire o por una antorcha
para endurecer la superficie y eliminar el exceso de humedad.
3. Moldes con arena seca Estos moldes son hechos enteramente de arena
común de moldeo mezclada con un material aditivo similar al que se emplea en
el método anterior. Los moldes deben ser cocidos totalmente antes de usarse,
siendo las cajas de metal. Los moldes de arena seca mantienen esta forma
cuando son vaciados y están libres de turbulencias de gas debidas a la
humedad. Los moldes con capa seca y los moldes de arena seca son
ampliamente usados en fundiciones de acero.
4. Moldes de arcilla. Los moldes de arcilla se usan para trabajos grandes.
Primero se construye el molde con ladrillo o grandes partes de hierro. Luego,
todas estas partes de emplastecen con una capa de mortero de arcilla, la forma
del molde se empieza a obtener con una terraja o esqueleto del modelo. Luego
se permite que el molde se seque completamente de tal manera que pueda
resistir la presión completa del metal vaciado. Estos moldes requieren de
mucho tiempo para hacerse y su uso no es muy extenso.
5. Moldes furánicos. Este proceso es bueno para la fabricación de moldes
usando modelos y corazones desechables. La arena seca de grano agudo
se mezcla con ácido fosfórico el cuan actúa como un acelerador. La resina
furánica es agregada y se mezcla en forma continua el tiempo suficiente
para distribuir la resina. El material de arena empieza a endurecerse casi de
inmediato al aire, pero el tiempo demora lo suficiente para permitir el
moldeo. El material usualmente se endurece de 1 a 2 h, tiempo suficiente
para permitir alojar los corazones y que puedan ser removidos en el molde.
En uso con modelos desechables la arena de resina furánica puede ser
empleada como una pared o cáscara alrededor del modelo que estará
soportado por arena de grano agudo o en verde o puede ser usada como el
material completo del molde.
6. Moldes de C02. En este proceso la arena limpia se mezcla son silicato de
sodio y ésta es apisonada alrededor del modelo. Cuando el gas de C0 2 es
alimentado a presión en el molde, la arena mezclada se endurece. Piezas
de fundición lisas y de forma intrincada se pueden obtener por este método,
aunque el proceso fue desarrollado originalmente para la fabricación de
corazones.
7. Moldes de metal. Los moldes de metal se usan principalmente en fundición
en matriz de aleaciones de bajo punto de fusión. Las piezas de fundición se
obtienen de formas exactas con una superficie fina, esto elimina mucho
trabajo de maquinado.
8. Moldes especiales, plástico, cemento, yeso, papel, madera y hule todos
estos son materiales usados en moldes para aplicaciones particulares.
Los procesos de moldes en fundición comercialmente ordinaria pueden ser
clasificados como:
1. Moldeo en banco. Este tipo de moldeo es para trabajos pequeños, y se
hace en un banco de una altura conveniente para el moldeador.
2. Moldeo de piso. Cuando las piezas de fundición aumentan en tamaño,
resulta difícil su manejo, por consiguiente, el trabajo es hecho en el piso.
Este tipo de moldeo se usa para prácticamente todas las piezas medianas y
de gran tamaño.
3. Moldeo en fosa. Las piezas de fundición extremadamente grandes son
moldeadas en una fosa en vez de moldear en cajas. La fosa actúa como la
base de la caja, y se usa una capa separadora encima de él, los lados de la
fosa son una línea de ladrillos y en el fondo hay una capa gruesa de carbón
con tubos de ventilación conectados al nivel del piso. Entonces los moldes
de fosa pueden resistir las presiones que se desarrollan por el calor de los
gases, esta práctica ahorra mucho en moldes costosos.
4. Moldeo en máquina. Las máquinas han sido construidas para hacer un
número de operaciones que el moldeador ordinariamente hace a mano,
tales como apisonar la arena, voltear el molde completo, formar la
alimentación, y sacar el modelo, todas estas operaciones pueden hacerse
con la máquina mucho mejor y más eficientemente que a mano.
Modelos Removibles
En la figura siguiente se ilustra un procedimiento simple para moldear un pistón
de hierro fundido para hacer un buje. El molde para este disco se hace un una
caja de moldeo, que consta de 2 partes. A la parte superior se le llama tapa, y
a la parte inferior base. Si la caja la forman tres partes, a la del centro se le
llama parte central. Las partes de la caja se mantienen en una posición
definida, unas con respecto a las otras por medio de unos pernos colocados en
dos lados opuestos de la base que encajan en agujeros de unos ángulos
sujetos a los lados de las tapas.
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El primer paso en la hechura de un molde es el de colocar el modelo en
el tablero de moldear, que coincide con la caja de moldeo.
En seguida se coloca la tapa sobre el tablero con los pernos dirigidos
hacia abajo, como se ven en la figura.
Luego se criba la arena sobre el modelo para que lo vaya cubriendo, la
arena deberá compactarse con los dedos en torno al modelo, teminando
de llenar completamente la tapa. Para moldes pequeños, la arena se
compacta firmemente con apisonadores manuales. El apisonado
mecánico se usa para moldes muy grandes y para moldeo de gran
producción. El grado de apisonado necesario sólo se determina por la
experiencia. Si el molde no ha sido lo suficientemente apisonado, no se
mantendrá en su posición de moverlo o cuando el metal fundido choque
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con él. Por otra parte, si el apisonado es muy duro no permitirá que
escapen el vapor y el gas cuando penetre el metal fundido al molde.
Después que se ha terminado de apisonar, se quita el exceso de arena
arrasándola con una barra recta llamada rasero. Para asegurar el
escape de gases cuando se vierta el metal, se hacen pequeños agujeros
a través de la arena, que llegan hasta unos cuantos milímetros antes del
modelo.
Se voltea la mitad inferior del molde, de tal forma que la tapa se puede
colocar en su posición y se termina el moldeo. Antes de voltearlo se
esparce un poco de arena sobre el molde y se coloca en la parte
superior un tablero inferior de moldeo. Este tablero deberá moverse
hacia atrás y hacia delante varias veces para asegurar un apoyo
uniforme sobre el molde. Entonces la caja inferior se voltea y se retira la
tabla de moldeo quedando expuesto el modelo. La superficie de la arena
es alisada con una cuchara de moldeador y se cubre con una capa fina
seca de arena de separación. La arena de separación es una arena de
grano fino seca y sin consistencia. Con ella se evita que se pegue la
arena de la tapa sobre la de la base.
En seguida se coloca la tapa sobre la base como se ve en la figura, los
pernos mantienen la posición correcta en ambos lados. Para
proporcionar un conducto por donde entre el hierro al molde, se coloca
un mango aguzado conocido como clavija de colada y es colocado
aproximadamente a 25 mm de un lado del modelo. Las operaciones de
llenado, apisonado agujerado para escape de gases, se llevan a cabo en
la misma forma que en la base.
Con esto, el molde ha quedado completo excepto que falta quitar el
modelo y la clavija de colada. Primero se extrae ésta, abocardándose el
conducto por la parte superior, de manera que se tenga una gran
abertura por donde verter el metal.
La mitad de la caja correspondiente a la mitad superior es levantada a
continuación con mucho cuidado y se coloca a un lado. Antes de que
sea extraído el modelo, se humedece con un pincel la arena alrededor
de los bordes del modelo, de modo que la orilla del molde se mantenga
firme al extraerlo. para alojar el modelo, se encaja en él una alcayata y
se golpea ligeramente en todas direcciones. En seguida se puede
extraer el modelo levantándolo de la alcayata.
Antes de cerrar el molde, debe cortarse un pequeño conducto conocido
como alimentador, entre la cavidad del molde hecha por el modelo y la
abertura de la colada. Este conducto se estrecha en el molde de tal
forma que después que el hierro ha sido vertido, el metal en el
alimentador se puede romper muy cerca de la pieza.
Para preveer la contracción del metal, algunas veces se hace un agujero
en la tapa, el cual provee un suministro de metal caliente a medida que
la pieza fundida se va enfriando, esta abertura es llamada rebosadero.
La superficie del molde se debe rociar, untar o espolvorear con un
material preparado para recubrimiento, dichos recubrimientos contienen
por lo general polvo de sílice y grafito, pero su composición varía
considerablemente dependiendo de la clase de material que se va a
vaciar. La capa de recubrimiento del molde mejora el acabado de las
superficies de colado y reduce los posibles defectos en las superficies.
El molde, deberá colocarse un peso sobre la tapa para evitar que el
metal líquido salga fuera del molde en la línea de partición.
Modelos Desechables
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En la fabricación de moldes con modelos desechables, el modelo,
usualmente de una pieza, es colocado en el tablero y la base de la caja
se moldea en la forma convencional.
Se agregan unos agujeros para ventilación y la base se voltea
completamente para el moldeo de la tapa. Casi siempre la arena en
verde es el material común más usado, aunque pueden usarse arenas
especiales para otros propósitos, particularmente como arena de cara
que se utiliza de inmediato alrededor del modelo.
La arena en la línea de partición no se aplica en la tapa de la caja y la
base no puede ser separada hasta que la fundición es removida. En
cambio, la tapa es llenada con arena y se apisona. En uno u otro caso,
la colada es cortada en el sistema de alimentación o ambas, como
usualmente sucede, ésta es una parte del modelo desechable.
Se hacen los agujeros para ventilación y se coloca. Algo de peso para
oprimir la tapa. Los modelos de poliestireno, incluyen la alimentación y el
sistema de colados. Se encuentran a la izquierda del molde.
La pieza moldeada es vaciada más bien rápidamente en la colada, el
poliestireno se vaporiza. Y el metal llena el resto de la cavidad.
Después de enfriado, la fundición es eliminada del molde y limpiada. El
metal es vaciado lo suficientemente rápido para prevenir la combustión
del poliestireno, con el resultado de residuos carbonosos. En cambio, los
gases, debido a la vaporización del material, son manejados hacia fuera
a través de la arena permeable y los agujeros de ventilación. Un
recubrimiento refractario se aplica comúnmente al modelo para asegurar
un mejor acabado superficial para la fundición y le agrega resistencia al
modelo.
Es obligatorio a veces que los pesos para oprimir el molde sean parejos
en todos los lados para combatir la alta presión relativa en el interior del
molde.
Las ventajas de este proceso incluyen lo siguiente:
1. Para una pieza no moldeada en máquina, el proceso requiere menos
tiempo.
2. No requiere de que se hagan tolerancias especiales para ayudar a extraer
el modelo de la arena, y se requiere menor cantidad de metal.
3. El acabado es uniforme y razonablemente liso.
4. No se requiere de modelos complejos de madera con partes sueltas.
5. 5. No se requieren cajas de corazón y corazones.
6. El moldeo se simplifica grandemente.
Las desventajas incluyen lo siguiente:
1. El modelo es destruido en el proceso.
2. Los modelos son más delicados de manejar.
3. El proceso no puede ser usado con equipo de moldeo mecánico.
4. No puede ser revisado oportunamente el acabado de la cavidad.
ENTRADAS, REBOSADEROS Y CARACTERÍSTICAS DE SOLIDIFICACION.
Los conductos que llevan el metal vaciado a la cavidad del molde los cuales
son conocidos como sistema de alimentación, está usualmente constituido por
una vasija de vaciado, comunicado a un canal de bajada o conducto vertical
conocido como bebedero, y a un canal a través del cual el metal fluye desde la
base del bebedero a la cavidad del molde. En piezas grandes, de fundición un
corredor puede usarse el cual toma el metal desde la base del bebedero y lo
distribuye en varios canales localizados alrededor de la cavidad. el propósito de
este sistema es, primeramente, colocar el metal dentro de la cavidad. Como
quiera que sea, el diseño del sistema de alimentación es importante e involucra
un número de factores.
1. El metal debe entrar a la cavidad con el mínimo de turbulencias como sea
posible, y cerca del fondo de la cavidad del molde en el caso de fundiciones
pequeñas.
2. La erosión de los conductos o superficies de la cavidad deben ser evitadas
por regulación apropiada del flujo del metal, o por el uso de arena seca de
corazones. Las entradas y corredores formados resisten mejor la erosión
que aquellos que están cortados.
3. El metal debe entrar en la cavidad así como proporcionar una solidificación
direccional si es posible. La solidificación debe progresar desde la superficie
del molde a la parte de metal más caliente de modo que allí es donde el
metal caliente abastece para compensar la contracción.
4. Se debe prever que no entre la escoria u otras partículas extrañas a la
cavidad del molde. Una vasija de vaciado, próximo a la parte superior del
agujero del bebedero, se obtiene para prever en los moldes grandes y
facilitar el vaciado y eliminar la escoria para que no entre al molde. el metal
debe ser vaciado de tal manera que la vasija de vaciado y el agujero del
bebedero estén llenos todo el tiempo. Los canales desnatadores, tales
como uno que muestra en la, pueden utilizarse para atrapar la escoria u
otras pequeñas partículas dentro del segundo agujero del bebedero. El
canal del molde está restringido de modo que todo el tiempo permite que las
partículas floten en el rebosadero dentro del desnatador. Un colador que
está hecho de arena seca cocida o de material de cerámica y que sólo
puede usarse en la vasija de vaciado para controlar el flujo del metal y para
permitir sólo la entrada del metal limpio.
PROCESOS DE FUNDICION
Los rebosaderos que se obtienen proporcionan en los moldes la alimentación
del metal líquido a la cavidad principal de la pieza para compensar las
contracciones. Estas pueden ser tan grandes en sección, así como el resto del
metal líquido tan grande como sea posible, y pueden localizarse cerca de las
secciones grandes que pueden estar sujetas a una gran contracción. Si estas
se colocan en la parte superior de la sección, la gravedad puede ayudar a la
alimentación del metal en la propia pieza fundida.
Los rebosaderos ciegos son como rebosaderos con cúpula, se localizan en la
mitad de la tapa de la caja, los cuales no tienen la altura completa de la tapa.
Estos están por lo normal colocados directamente sobre el canal, donde el
metal alimenta dentro de la cavidad del molde y entonces complementa el
metal caliente cuando el vaciado está completándose.
La contracción volumétrica usualmente ocurre cuando el metal se solidifica
resultando una cavidad debido a la contracción si la solidificación no es dirigida,
de modo que algunos huecos causados por la contracción toman lugar en el
canal, rebosadero o bebedero. La contracción ocurre en el área donde el metal
vaciado tiene una gran estancia. La figura siguiente se ilustra los gradientes de
temperatura o líneas isotermas en una pieza fundida y las direcciones del flujo
de calor del metal solidificado a la arena. En cada caso los huecos de
contracción causados pueden ocurrir en las áreas de mayor temperatura, y el
diseño del molde debe ser modificado, así como cambiar esta tendencia si
dicho hueco es perjudicial para la pieza fundida.
Los insertos metálicos llamados enfriadores son algunas veces usados
solidificando a una rapidez mayor. Los compuestos químicos exotérmicos
pueden acumularse en la parte más próxima a la pieza fundida de tal manera
que el calor es retenido en esa área.
MODELOS
En la figura siguiente (recordar presentación) se muestran siete tipos de
construcción de modelos. La forma más simple es el modelo sólido o de una
sola pieza, mostrada en A. Muchos modelos no pueden hacerse de una sola
pieza, por la dificultad que se encuentra en el moldeo. Para eliminar esto,
algunos se hacen en dos partes, como se muestra en la Fig. anterior, así una
mitad del modelo descansa en la parte inferior del molde y la otra mitad en la
parte superior. La división en el modelo ocurre en la línea de partición del
molde. En C se muestra un modelo con dos piezas sueltas, que son necesarias
para extraer el molde.
Tolerancias en los modelos
En el trabajo de modelos la pregunta es el porqué, un engrane terminado o
cualquier otro objeto no puede ser usado para fabricar el molde y eliminar los
problemas y el costo de hacer un modelo. En algunos casos esto se puede
hacer pero en general, el proceso no es práctico, por que ciertas tolerancias
van consideradas en el modelo. Estas tolerancias son: la contracción,
extracción, acabado, la distorsión y el golpeteo.
Contracción. Cuando un metal puro, así como la mayoría de las aleaciones
metálicas se enfría, ellas se contraen, y para compensar la contracción, existe
una regla de contracción que puede ser usada en el trazo de las dimensiones
del modelo. Una regla de contracción para hierro fundido es de 1.04% en
promedio de longitud, mayor que una regla estándar. Si un engrane de hierro
blanco está planeado que tenga un diámetro exterior de 150 mm ya terminado,
la regla de contracción en realidad debe medir 156 mm en diámetro, por
compensación de la contracción. La contracción para latón varía con su
composición pero usualmente anda de 1.56 a 2.08 %, y el aluminio y magnesio
1.30 %. Estas tolerancias de contracción son sólo aproximadas y varían
ligeramente, dependiendo del diseño de la pieza fundida, el espesor de la
sección y del análisis del metal. Cuando deben obtenerse modelos de metal, a
partir de los modelos originales, se deberá proveer de doble contracción.
Extracción. Al extraer un modelo, se debe disminuir grandemente la tendencia
al desmoronamiento de las aristas del molde en contacto con el modelo, si se
les da ahusamiento a las superficies de éste paralelamente a la dirección en
que se deba extraer. Esta inclinación de los lados del modelo se conoce como
salida, y se proporciona para darle al modelo un pequeño huelgo a medida que
es extraído. El ahusamiento se suma a las dimensiones exteriores del modelo y
es generalmente 1.04 a 2.08 %. Los agujeros interiores requieren salidas tan
largas como 6.25 %.
Acabado. Cuando un dibujante traza los detalles de una parte que va a ser
fundida, cada superficie que va a hacer acabada a maquina está indicada una
marca de acabado. Esta marca le indica al modelista donde deberá proveerse
material adicional para efectuarse el maquilado, es decir habrá una tolerancia
de acabado. La cantidad que deba añadirse al modelo depende de las
dimensiones y formas de la pieza fundida pero en general para piezas
pequeñas y medianas es de 3.0 mm cuando las piezas son mas grandes, esta
tolerancia se debe aumentar, porque las piezas tienden a torcerse en el
enfriamiento.
Distorsión. La tolerancia para la distorsión se aplica solamente a aquellas
piezas fundidas de forma irregular que se distorsionan en el proceso de
enfriamiento, debido a la contracción del metal.
Golpeteo. Cuando un modelo es golpeado ligeramente estando en el molde
antes de extraerlo la cavidad del molde aumenta ligeramente. En una pieza de
tamaño medio este aumento puede ignorarse ligeramente. En piezas de gran
tamaño o en aquellos que deben coincidir sin ser mecanizados deberá
considerarse una tolerancia por sacudidas, haciendo el modelo ligeramente
menor para compensar el golpeteo.
Materiales Para Modelos Removibles.
El primer paso en la fabricación de una pieza fundida es preparar un modelo,
conocido como modelo de fundición, el cual difiere en numerosos aspectos de
la pieza resultante. Estas diferencias, conocidas como tolerancias en el
modelo, compensan la contracción del metal, proporcionan suficiente metal
para el maquinado de superficies, y facilitan el moldeo.
La mayoría de los modelos son hechos de madera, la cual es barata y puede
trabajarse fácilmente. Por lo cual sólo un pequeño porcentaje de modelos se
hacen en cantidad para trabajos de producción, la mayoría no necesita estar
hecha de un material que pueda tener un uso duro en la fundición. Muchos de
los modelos usados en trabajo de gran producción se hacen de metal porque
soportan el uso intenso. Los modelos de metal no cambian su forma cuando se
les somete a condiciones húmedas, además, requieren un mínimo de atención
para mantenerlos en condiciones de trabajo. Los metales utilizados para hacer
modelos incluyen latón, metal blanco, hierro fundido y aluminio. Probablemente
el aluminio sea el mejor de todos por que es más fácil de trabajar, es de peso
ligero y resistente a la corrosión. Los modelos de madera son obtenidos de
fundición de un modelo maestro construido de madera.
Los plásticos se adaptan especialmente bien como materiales para modelos
porque no absorben humedad, son fuertes y dimensionalmente estables y
tienen superficies perfectamente tersas. Se pueden producir económicamente
por vaciado en forma similar al metal vaciado.
CONSTRUCCION DE UN MODELO REMOVIBLE
Los detalles para obtener un bloque en V de Hierro fundido, se muestran en la
Fig. 5.7 donde se ha trazado primero una vista del extremo usando una regla
de contracción. Como el detalle pide " acabado" en toda la pieza, se debe
prever metal adicional, lo cual queda indicado por la segunda línea exterior de
la V del block en el plano. En previsión para la salida, el método del moldeo
debe ser considerado. La línea final exterior sobre la posición del tablero
representa el tamaño actual y la forma, la cual es usada para construir el
modelo. Las esquinas interiores agudos se rellenan para eliminar las grietas en
el metal por contracción.
Un filete es una superficie cóncava de unión o bien el redondeo de la esquina
de dos planos de intersección. Las esquinas redondeadas y filetes facilitan
materialmente el moldeo, ya que la arena no tiende a desmoronarse al extraer
el modelo.
A los modelos de madera se les da generalmente tres capas de sellador o
barniz sintético el cual no se disuelve en contacto con la humedad, y da al
modelo una superficie tersa.
Los modelos con piezas sueltas se hacen en los casos en que se tienen
proyecciones o partes colgantes y es imposible sacarlas de la arena aun
cuando estén partidas. En tales modelos las proyecciones deben sujetarse
flojas al modelo principal por medio de clavijas de madera o alambre. Una vez
hecho el molde, dichas piezas sueltas permanecen allí hasta después que el
modelo es extraído. A continuación se sacan separadamente a través de la
cavidad formada por el modelo principal. El empleo de piezas sueltas, se ilustra
en el colado de una guía que ajusta en una corredera con forma cola de
milano, según un detalle que se muestra en la Fig. 5.8.
Para comenzar el modelo, es necesario hacer un diagrama con todas las
tolerancias para la extracción, acabado y contracción. A continuación se decide
en que forma se hará el moldeo. Dos métodos son posibles como se ilustra en
D y E de la figura. En el primer método dos piezas sueltas facilitan la extracción
del modelo de la arena. Estas piezas pueden tener salida desde la arena,
debido al espacio adicional ocupado en primer lugar por la parte principal del
modelo. El modelo construido de esta manera es hecho de 5 partes, como se
muestra en la figura B.
Las piezas sueltas pueden ser eliminadas por un corazón de arena seca. Si se
emplea esta construcción el modelo deberá hacerse como se ve en C.
Además. Se hará necesaria una caja de corazón. Este método tardado es
menos económico, debido a lo costoso de hacer la caja de corazón y el
corazón mismo.
CONSTRUCCION DE MODELOS DESECHABLES.
Los modelos desechables, son hechos para estar en el molde, y vaporizan
después de que es vaciado el metal. A causa de esto, están hechos de una
sola pieza con canales, alimentadores y rebosaderos fijos al modelo
( Fig.
5.9). usualmente el bebedero es sólo pegado o unido por alambres, clavos o
pernos al modelo. El método más convencional de moldeo por este método
consiste en que el modelo, canales, alimentadores y rebosaderos empiezan a
moldearse en la base de la caja y el bebedero es moldeado aparte en la tapa
de la caja.
Material Usado
Todos los modelos desechables están hechos de hule espuma o poliestireno.
El material recomendado de poliestireno es extendido en camas sobre un
tablero. Las camas deben de tener una buena adhesión una a la otra y una
densidad entre 16 a 19 kg/m3. La resistencia a la compresión es 89 a 124 MPa,
el poliestireno extendido puede estar en ramas en la tabla de 1.2 X 3.7 m arriba
aproximadamente a 450 mm en espesor. El material que mejor se trabaja es el
que ha tenido como mínimo 45 días de tiempo después de manufacturado. Las
camas de poliestireno son usadas en la manufactura de modelos pequeños en
cantidades de producción. Estas camas son extendidas en los moldes
metálicos por aplicación de vapor o con calor eléctrico.
Con objeto de mejorar el acabado superficial de la pieza de fundición completa,
el molde obtenido se escobetea o se rocía con agua de zircón. La cara de la
arena donde se coloca el modelo puede ser de arena en verde, arena con
depósitos de silicato de sodio, arena aglutinada y en algunos casos arena sin
depósitos o simplemente seca.
Tolerancias en los Modelos.
Debido a que no es extraído el modelo del molde, no necesita tolerancias para
la salida, las únicas tolerancias que necesitan hacerse son para la contracción,
acabado y distorsión.
ARENA
Tipos de Arena
La arena sílica (Si02) se encuentra en muchos depósitos naturales, y es
adecuada para propósitos de moldeo porque puede resistir altas temperaturas
sin descomponerse. Esta arena es de bajo costo, tiene gran duración y se
consigue en una amplia variedad de tamaños y formas de granos. Por otra
parte, tiene una alta relación de expansión cuando está sometida al calor y
tiene cierta tendencia a fusionarse con el metal. Si contiene un alto porcentaje
de polvo fino, puede ser un peligro para la salud.
La arena sílico 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 15% de arcilla. Los tres.
PROCESOS DE FUNDICION.
Tipos de arcilla comúnmente usados son la caolinita, ilita y bentonita. Esta
última, usada con más frecuencia, proviene de cenizas volcánicas.
Algunas arenas de moldeo naturales, se mezclan adecuadamente con arcilla al
extraerlos en las canteras y sólo se requiere agregarles agua para obtener una
arena conveniente para moldeo de piezas fundidas de hierro y metales no
ferrosos. La gran cantidad de materia orgánica encontrada en las arenas
naturales impide que sean lo suficientemente refractarias para usos en
temperaturas elevadas, tal y como en el moldeo de metales y aleaciones con
alto punto de fusión.
Las arenas de moldeo sintéticas se componen de sílice lavada de granos
agudos, a los que se añade 3 a 5% de arcilla. Con las arenas sintéticas se
genera menos gas, ya que se requiere menos del 5% de humedad para que
desarrolle su resistencia adecuada.
El tamaño de los granos de arena depende del tipo de la pieza que se ha de
moldear. Para piezas de tamaño pequeño y complicadas es más conveniente
una arena fina con objeto de que los detalles del molde aparezcan precisos. A
medida que aumenta el tamaño de la pieza, las partículas de arena deberán de
ser más grandes para permitir que los gases generados en el molde se
escapen. Los granos agudos, de forma irregular, por lo general se les prefiere
porque se entrelazan y le dan mayor resistencia al molde.
PRUEBAS DE LA ARENA.
Para determinar la calidad esencial de la arena de fundición se hacen
necesarias algunas pruebas periódicas. Las propiedades cambian por
contaminación con materiales extraños, por la acción de lavado en el recocido
Por el cambio gradual y la distribución de los tamaños de grano, y por la
continua exposición a altas temperaturas. Las pruebas pueden ser tanto
químicas como mecánicas, pero aparte de la determinación de los elementos
indeseables en la arena, las pruebas químicas son de poco uso. La mayoría de
las prueban mecánicas son simples y no requieren equipo elaborado. Varias de
las pruebas están diseñadas para determinar las siguientes propiedades de la
arena de moldeo.
1. Permeabilidad. La porosidad de la arena que permite el escape de os gases
y vapores formados en el molde.
2. Resistencia. La arena debe ser cohesiva hasta el grado de que tenga
suficiente ligazón, tanto el contenido de agua como el de arcilla afectan la
propiedad de la cohesión.
3. Refractariedad. La arena debe resistir las altas temperaturas, sin fundirse.
4. Tamaño y forma de grano. La arena debe tener un tamaño de grano
dependiente de la superficie que se trate de producción, y los granos deben
de ser irregulares hasta tal grado que mantengan suficiente resistencia a la
cohesión.
Pruebas de Dureza de Moldes y Corazones.
El probador de la dureza de los corazones mostrado en la Fig. 5.10, opera bajo
el principio de que la profundidad de la bola de acero en la arena, es su medida
de la dureza o estabilidad. Una bola de acero de 5.08 mm en diámetro bajo la
presión de un resorte (2.3 N) se oprime contra la superficie del molde y la
profundidad de penetración se indica en la carátula en milímetros. Los moldes
con un apisonado medio den un valor alrededor de 75.
Pruebas de Finura.
Esta prueba, para determinar el porcentaje de distribución del tamaño de grano
en la arena, se realiza en una muestra de arena seca de la cual se extrae toda
la sustancia de arcilla. Una serie de tamices normales para pruebas son
usados, con mallas, 6,12,20,30,40,50,70,100,140,200,y 270 correspondientes a
la especificación de la U.S. National Bureau of Standard. Estos tamices se
apilan y colocan en uno de los muchos tipos de agitadores movidos a motor. La
arena se coloca en el tamiz más ralo de la parte superior y después de 15 min.
De vibración el peso de la arena retenido en cada malla se convierte a un
porcentaje base.
Fundición en Matrices.
La fundición en matrices es un proceso en el cual el metal líquido es forzado
a entrar a presión en el molde metálico conocido como matríz. Por razón de
que el metal solidifica bajo una presión desde 0.6 a 275 MPa, la pieza de
fundición se configura a la cavidad de la matriz en igual forma y acabado
superficial que ésta. La presión usual es de 10.3 a 14 MPa.
La fundición
en matriz es el proceso de molde permanente más
ampliamente usado. Y hay dos métodos que se utilizan:
1. Cámara caliente
2. Cámara fría
La principal distinción entre las dos está determinada por la localización de
la olla de fusión. En el método de cámara caliente, la olla de fusión está
incluida con la máquina, y el cilindro de inyección queda sumergido en el metal
líquido todo el tiempo. El cilindro de inyección es movido ya sea por presión de
aire o por presión hidráulica, la que fuerza al metal al interior de las matrices
para completar la pieza fundida. Las máquinas que se usan en el proceso de
cámara fría, tienen un horno separado, y el metal se introduce al cilindro
inyector, ya sea a mano o por medios mecánicos. Después, la presión
hidráulica fuerza al metal al interior de la matriz.
El proceso es rápido, por razón de que la matriz y el corazón son
permanentes. La superficie suave no sólo le proporciona buena apariencia sino
que también disminuye el trabajo requerido de preparación para un acabado de
plateado u otro trabajo de acabado. Los espesores de pared pueden ser más
uniformes que la fundición a la arena y consecuentemente se requiere menos
metal. Los promedios de producción de cantidades óptimas son de 1000 a 200
000 piezas. El peso mecánico de piezas en latón en fundición en matriz es de
2.3 kg, pero en aluminio son arriba de 50 kg son comunes. Las fundiciones
pequeñas o medianas pueden fabricarse en ciclos promedio de 100 a 800
alimentaciones por hora. El tamaño puede ser controlado en forma precisa y
sólo puede ser necesario un pequeño maquinado y a veces no. Las partes
perdidas son bajas, entonces el bebedero, canal y entradas pueden ser
fundidos nuevamente. El proceso elimina operaciones de maquinado tales
como el barrenado y ciertos tipos de cuerdas.
Las tolerancias varían de acuerdo al tamaño de la pieza de fundición y de la
calidad del metal usado. Para fundiciones pequeñas, los promedios de
tolerancias son de  0.03 las tolerancias más cerradas se obtienen cuando se
emplean las aleaciones de zinc en fundición en matriz.
Una de las limitaciones de la fundición en matriz es el alto costo de los
equipos y matrices. Este no es un factor importante en producciones masivas,
pero sí es una limitante en trabajos pequeños. Por otra parte la matriz
disminuye conforme aumenta la temperatura del metal. Pero también en
algunos casos de enfriado existe un efecto indeseable sobre el metal a menos
que las temperaturas altas se mantengan. Los metales que tienen un alto
coeficiente de contracción deben ser eliminados del molde lo más rápido
posible a causa de la incapacidad del molde de contraerse con la pieza
fundida. Aunque existen ciertas limitaciones en forma, el proceso puede
producir piezas de fundición muy grandes.
Las piezas de fundición en matriz se han limitado a aleaciones de bajo
punto de fusión, pero con un aprovechamiento gradual de metales de alta
resistencia al calor para matrices, este proceso se puede utilizar ahora para
numerosas aleaciones. Fundiciones de hierro gris y aleaciones de bajo
contenido de carbono y aleaciones de acero se han producido en matrices de
una aleación de molibdeno sinterizado, pero el proceso es comercialmente
limitado a aleaciones no ferrosas.
Matrices
Las matrices para las máquinas tanto de cámara fría como de cámara
caliente, son similares en construcción porque hay poca diferencia en el
método de sujetarlas y operarlas. Se les hace de dos secciones para proveer
un medio de retirar las piezas fundidas, y usualmente van equipadas con
gruesas clavijas para mantener las mitades correctamente alineadas. El metal
entra por el lado estacionario cuando la matriz está fija en la posición cerrada.
A medida que se abre la placa de expulsión, colocada en la mitad móvil de la
matriz, avanza de tal forma que las clavijas se proyecten a través de la mitad
de la matriz y expulsan a la pieza de la cavidad y de los corazones fijos. Las
matrices van provistas con un mecanismo por separado, para mover la placa
expulsaron de los corazones movibles. La vida de estos moldes, depende del
metal vaciado y puede alcanzar promedios hasta de 10 000 inyecciones, si se
trabaja con latón, hasta varios millones de piezas se pueden hacer en zinc.
Fundición en Matriz en Cámara Caliente.
Las aleaciones de bajo punto de fusión de zinc, estaño y plomo son los
materiales de fundición más ampliamente usados en máquinas de cámara
caliente. En el Cap. 3 se puede encontrar un estudio de estas aleaciones. La
mayoría de los demás materiales que tienen demasiado alto punto de fusión, y
afinidad por el hierro, y aquellos que crean otros problemas y que pueden
reducir la vida de la máquina. Las piezas de fundición en cámara caliente
varían en tamaño de 20 g a 40 Kg. aunque en el caso de piezas de fundición
muy chicas ellas son comúnmente vaciadas en moldes de matriz múltiple.
En este método, el metal es forzado a entrar dentro del molde y se
mantiene la presión durante la solidificación, ya sea por un pistón o por aire a
comprensión. La máquina tipo émbolo que se ilustra en la Fig. 6.4, es operada
hidráulicamente por las dos formas, por el pistón de metal y por el mecanismo
de abertura y cierre de la matriz. En esta máquina el émbolo opera en un
extremo de una pieza fundida en forma de cuello de ganso la cual está
sumergida en el metal líquido. Con el émbolo en la parte superior, el metal
fluye por gravedad en la pieza de fundición en forma de cuello de ganso, a
través de varios agujeros justo abajo del pistón. Con un golpe en el centro,
estos agujeros son cerrados por el émbolo, y la presión se aplica sobre el metal
atrapado, originando que éste sea forzado a entrar a la cavidad de la matriz.
Fundición en Matriz en Cámara Fría
Las piezas de fundición en matrices, de latón, aluminio y magnesio requieren
presiones más altas, así como las temperaturas de fusión y necesitan un
cambio en el proceso de fusión previamente descrito. En el Cap. 4 se discutió
acerca de las aleaciones usadas en piezas de fundición por cámara fría. estos
metales no se funden en un crisol autocontenido, porque la vida de éste sería
muy corta. El procedimiento usual es el de calentar el metal en un horno
auxiliar y llenarlo con cucharas hasta la cavidad del émbolo próximo a las
matrices. Las máquinas que trabajan con este método se fabrican muy
consistentes y rígidas para soportar las altas presiones ejercidas por el metal al
ser forzado al interior de las matrices. De las dos máquinas de uso
generalizado, una tiene el émbolo en posición vertical y la otra en posición
horizontal.
En la Fig. anterior muestra un dibujo esquemático del funcionamiento de la
máquina de cámara fría, con émbolo horizontal. En la primera figura se
muestran cerradas las matrices con los corazones en su posición y el metal
líquido listo para ser vertido. Tan pronto como se vacía la cuchara, el émbolo
se mueve hacia la izquierda y fuerza al metal al interior del molde. Después de
que el metal solidifica, se extraen los corazones, y luego se abren las matrices.
En la tercer figura las matrices están abiertas, y la pieza de fundición está
siendo expulsada de la mitad estacionaria. Para completar el proceso de
apertura, entra en funcionamiento una barra botadora y expulsa a la pieza de
fundición de la parte móvil de la mitad de la matriz. Este ciclo de operación se
usa en una variedad de máquinas que trabajan a presiones que van desde 40 a
150 MPa. Estas máquinas son completamente hidráulicas y semiautomáticas.
Después que el metal ha sido vertido, el resto de las operaciones son
automáticas.
Fundición por Moldes Permanentes de Baja Presión.
En el proceso de moldes permanentes de baja presión, el molde metálico está
montado sobre un horno de inducción como se ilustra en la Fig. 6.8. El horno
está sellado y se le inyecta gas, bajo presión, que se utiliza para forzar el metal
líquido en el horno a través del refractario calentado en el "tallo" en la cavidad.
Algunas veces se usan bombas de vacío para remover el aire atrapado en el
molde y para asegurar una estructura más densa y un llenado rápido. Piezas
pequeñas pueden permanecer en el molde hasta enfriarse por un minuto o
menos, pero en piezas de fundición con peso arriba de 30 kg, se tiene
conocimiento que pueden permanecer por un periodo de solo 3 min. El proceso
es más económico si el promedio de producción, es en cantidades de 5000 a
50 000 piezas por año. Las piezas producidas por este método de buena
densidad, están libres de inclusiones, tienen buena precisión dimensional, y las
pérdidas por sobras son comúnmente menores del 10% y pueden ser tan bajas
como el 2%.
Piezas de Fundición en Molde Permanente por Gravedad
Este método utiliza un molde permanente hecho de metal o grafito. Los moldes
se recubren usualmente con una sustancia refractaria y luego con negro de
humo, la cual reduce los efectos del enfriamiento en el metal y facilita la
remoción de la pieza de fundición. No se utiliza presión excepto la obtenida por
la altura del metal en el molde. El proceso se usa satisfactoriamente para
piezas de fundición ferrosas y no ferrosas, aunque este último tipo, no
presenta muchos problemas como las piezas de fundición ferrosas debido a las
bajas temperaturas de vaciado. El tipo , más simple del molde permanente está
embisagrado de un lado del molde, teniendo en el otro lado del molde
dispositivos para mantener juntas las dos mitades. Algunas máquinas de alta
producción, como la que se ilustra en la Fig. 6.9, están dispuestas en forma
circular y tienen moldes colocados en varias estaciones. El ciclo de trabajo
consiste en verter el metal, enfriamiento y expulsión de la pieza, soplado de los
moldes, recubrimiento de ellos, y en algunos casos colocación de los
corazones. En este tipo de moldes se pueden utilizar corazones tanto de metal,
como de arena seca. Si se emplean corazones tan pronto como el metal
empieza a solidificar.
Fundición Hueca
La fundición hueca es un método de producir piezas huecas en moldes
metálicos sin la utilización de moldes metálicos. El metal líquido se vierte en el
molde, el cual se voltea inmediatamente, de modo que el metal líquido salga. El
resultado son partes de paredes delgadas, cuyo espesor depende del efecto
de enfriamiento producido por el molde y el tiempo que dure su operación. El
fundido se remueve por la abertura a la mitad del molde. Este método se usa
solamente para objetos ornamentales, estatuillas, juguetes y otras novedades.
Los metales utilizados para estos objetos son: plomo, zinc y varias aleaciones
de bajo punto de fusión. A las partes fundidas en esta forma, se les puede
pintar o darles un acabado para que simulen bronce, plata u otros metales más
caros.
Fundición Prensada o Corthias
Este método de fundición se asemeja a los procesos tanto de gravedad como
el hueco, pero difiere algo en la forma en que se efectúa la operación. Se vacía
una cantidad definida de metal en el interior de un molde con un extremo
abierto y un corazón se alimenta de una manera muy ajustada con algo de
presión, ocasionando que el metal sea forzado con cierta presión hacia el
interior de los huecos del molde. Tan pronto como el metal rellena las
cavidades. Se retira el corazón dejando una pieza hueca de paredes delgadas.
Este proceso, desarrollado en Francia por Corthias, tiene aplicación limitada,
principalmente a piezas ornamentales de diseño abierto.
FUNDICIÓN POR ELECTRO ESCORIA
El proceso de fundición por electroescoria es poco usual y no emplea horno. En
cambio, para la fusión se consumen electrodos formando en forma sorpresiva
una cubierta de escoria debajo del metal líquido que va a alimentar un molde
permanente enfriado por agua. Luego, el metal líquido continuamente gotea o
corre en el molde, y además no se mantiene en contacto con la atmósfera por
la capa de escoria. No son necesarias las entradas ni los bebederos y
usualmente los electrodos son retirados del molde y en consecuencia el llenado
se realiza del fondo hacia la parte superior. Los estudios realizados de los
metales fundidos por esta forma pueden ser superiores a los forjados., una
aplicación interesante sucede cuando el material del electrodo es cambiado en
contenido de carbono y afecta variando las propiedades en la pieza fundida.
FUNDICIÓN CENTRÍFUGA
La fundición centrífuga es el proceso de hacer girar el molde mientras solidifica
el metal, utilizando así la fuerza centrífuga 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 formas
simétricas se prestan particularmente para este método, aun cuando se pueden
producir otros muchos tipos de piezas fundidas.
Por fundición centrífuga se obtienen piezas más económicas que por otros
métodos. Los corazones en forma cilíndrica y rebosaderos o mazarolas
impurezas que van de la parte posterior al centro de la pieza pero que 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 tan bien como en la
fundición estática.
Fundición Centrífuga Real.
La fundición centrífuga real se utiliza para fabricar tubos, camisas y objetos
simétricos que se vacíen haciendo girar el molde alrededor de sus ejes, ya sea
el horizontal y el vertical. El metal se mantiene contra las paredes del molde
mediante la fuerza centrífuga, y no se hace necesario un corazón para formar
zontales usados para la producción de tubos de hierro fundido. Los moldes
metálicos de gran espesor tienen una capa de refractario que permite que el
metal líquido empieza a solidificar rápidamente y para que la solidificación del
molde proceda de las paredes del molde hacia el interior del tubo fundido. De
esta manera la solidificación sucede de una forma adecuada que asegura
solidez de la pieza con impurezas en la pared interna. Por consiguiente se
ilustra en la Fig. 6.10 una máquina para fundición centrífuga. El molde se
enrolla rápidamente al mismo tiempo que el metal líquido se introduce y la
acción de enrollado no se para hasta que la solidificación se acompleta. El
espesor de la pared producida para el tubo está controlada por la cantidad de
metal vaciado en el molde.
Fundición Semicentrífuga
En fundición Semicentrífuga, el molde se llena completamente y se enrolla
alrededor del eje vertical y se emplean rebosaderos y corazones. El centro de
la p9ieza fundida generalmente es sólido, siendo menor la presión allí, la
estructura formada no es muy densa y las inclusiones y aire atrapado que se
obtienen están presentes. Este método es normalmente usado para partes en
las cuales el centro de la pieza puede ser maquinado. El montón de moldes
que se muestran en la Fig. 6.12, puede producir cinco ruedas de ferrocarril
fundidas semicentrifugante. El número de piezas hechas en un molde, depende
del tamaño de la pieza fundida y de lo conveniente de su manejo, así como del
acomodo de los moldes. La velocidad de rotación para esta forma de colados
no es tan grande como para el proceso de centrifugado real. El proceso
produce una estructura densa en la circunferencia exterior, en tanto que el
metal del centro se elimina por maquinado.
Centrifugado
En el método centrifugado, se colocan varias
cavidades de colados en torno a la porción exterior
de un molde y el metal se suministra a las cavidades
por medio de alimentadores radiales desde el
centro. Se pueden utilizar moldes
simples o
arreglados en montón. Las cavidades de los moldes
se llenan a presión ocasionada por la fuerza
centrífuga del metal a medida que el molde gira. En
la Fig. 6.13 se muestran cinco piezas fundidas por
este proceso. Las cavidades internas de estas
piezas son de contorno irregular y se forman
mediante corazones de arena saca. El método
centrífugo no está limitado para objetos simétricos,
se pueden producir piezas de forma irregular, tales como tapas de cojinetes o
pequeñas abrazaderas. La profesión dental usa este proceso para
incrustaciones de piezas de oro.
FUNDICIÓN DE REVESTIMIENTO O DE PRECISIÓN.
La fundición por revestimiento o de precisión emplea técnicas que permiten
superficies lisas, mucha exactitud en fundiciones que están hechas para
aleaciones ferrosas y no ferrosas. La Fig. 6.14 muestra una pieza pequeña de
fundición por revestimiento hecha de una aleación de acero al cromo
molibdeno. No existe otro método, que
pueda asegurar la producción de piezas de
partes difíciles. Este proceso se utiliza en
piezas de fundición para aleaciones no
maquinables y metales radiactivos. Existe un
número de procesos empleados, pero todos
se incorporan a la arena, cerámica, yeso o
de cáscara de plástico hechos a partir de un
modelo exacto en el cual el metal es
vaciado. Aunque la mayoría de las piezas
fundidas son chicas, el proceso por
revestimiento se ha usado para producir
piezas con pesos sobre 45 kg. las ventajas
de las técnicas por revestimiento o precisión
son: (1) se pueden fundir piezas de formas
intrincadas con relieves, (2) se obtienen piezas con superficies lisas y sin líneas
de partición, (3) la exactitud dimensional es buena, (4) ciertas partes no
maquinables se pueden fundir en forma preplaneada, y (5) puede ser usada
para sustituir fundiciones en matríz donde existen canales muy cortos. Por otro
lado, el proceso es caro, está limitado para piezas chicas y presente algunas
dificultades cuando tiene corazones. No se pueden hacer agujeros menores de
1.6 mm y no pueden ser más profundos que 1 1/2 veces el diámetro.
Proceso de Fundición de Precisión a la " Cera Perdida ".
Este proceso deriva su nombre del hecho de que el modelo de cera utilizado
en el proceso, es seguidamente fundido en el molde, dejando una cavidad que
tiene todos los detalles del modelo original. El proceso, como se practicaba
originalmente por los artesanos en el siglo XVI, consistía en formar el objeto en
cera, a mano. El objeto de acera o modelo era luego cubierto con una
envoltura de yeso. Cuando el yeso endurecía, se calentaba el molde en un
horno, fundiendo la cera, y al mismo tiempo, se obtenía mayor secado y
endurecimiento del molde. La cavidad resultante, conteniendo todos los
detalles complicados de la forma original de la cera, era luego llenada con
metal. Al enfriar se rompía la cubierta de yeso dejando la pieza. En piezas
grandes tales como las estatuas, se utilizaban corazones de yeso para obtener
paredes relativamente delgadas en ellos.
Proceso de Cáscara en Cerámica
Este proceso, semejante al de la " cera pérdida", también implica retirar de una
cubierta refractaria, el modelo caliente disponible. El modelo se hace con cera
o con un plástico de bajo punto de fusión, y con frecuencia se
juntan algunos de ellos mediante "soldadura de cera" en un racimo, como se ve
en la Fig. 6.15. el costo de la producción de los modelos de plástico es menor
que los modelos de cera el cual forma la vasija de vaciado. el racimo de
modelos se sumerge rápidamente en una lechada de cerámica y se espolvorea
con material refractario. Este proceso llamado estucado, se repite hasta que la
cáscara es de 4.8 a 12.7 mm de espesor. Luego se funde el modelo
extrayéndolo del molde, el cual es primero secado y luego se somete al fuego
de 980 a 1095ºC con objeto de quitarle toda la humedad y material orgánico. El
molde libre de cualquier línea de partición, es generalmente vaciado en forma
inmediata y después se elimina de el horno. La cáscara se rompe de la pieza
fundida a medida que tiene lugar el enfriamiento. Se tiene buena exactitud y
buen acabado en las superficies con metales tanto ferrosos como no ferrosos.
las tolerancias de
0.13 mm no son poco comunes, y como tolerancias de
fundición pueden proporcionarse por acuñado o por apresto, pero el costo se
incrementa.
Fundición en Molde de Yeso.
La mezcla a base de yeso usada en fundiciones por revestimiento seca
rápidamente con buena porosidad, pero no es permanente, es destruido en el
momento en que la pieza fundida se retira del molde.
Los modelos se hacen de un bronce fácil de maquinar y se llevan tolerancias
precisas. Se les coloca en tableros inferiores de cajas normales de moldeo,
como se muestra en la Fig. 6.16ª. antes de recibir el yeso, se les atomiza con
un compuesto separador. El yeso, que es una amalgama con agentes
reforzadores y fraguantes, se mezcla en seco y se le añade agua. Luego se
vacía sobre los modelos y el molde se vibra ligeramente para asegurar que la
amalgama llenó todas las pequeñas cavidades. El yeso fragua en unos cuantos
minutos, retirándose de la caja por medio de un cabezal de vacío. Toda la
humedad se extrae de los moldes horneándolos en un horno con transportador,
a temperaturas alrededor de 815ºC. Después del vaciado, las piezas se retiran
rompiendo el molde. Cualquier excedente de yeso se elimina en una operación
de lavado.
Proceso de Moldeo en Cáscara
El moldeo en este proceso, se hace de una mezcla de arena de sílice seca y
resina fenolica, formándolo en metales de cascarones delgados, los cuales se
sujetan juntos para el vaciado, como se ilustra en la serie de diagramas de la
Fig. 6.18. la arena libre de arcilla se mezcla primero, ya sea con urea o con
resina de fenol formaldehído, y en seguida la mezcla se coloca en el interior de
una caja basculante o en una máquina sopladora. Deberá usarse un modelo de
metal, el cual se calienta a una temperatura alrededor de 230ºC. Y se rocía con
un agente separador a base de silicio antes de colocarlo en la parte superior de
la caja basculante. Luego se invierte ésta, ocasionando que la mezcla de arena
caiga sobre el modelo, y es mantenida por 15 a 30 s antes de regresarla a su
posición original. El modelo con una pequeña cáscara de 3.1 a 4.7 mm de
espesor adherida y luego se coloca en un horno y se cura el cascarón de 1/2 a
1 min hasta que queda rígido. La cáscara es finamente retirada del modelo por
pernos empujadores y las mitades del molde se unen con grapas, resinas
adhesivas u otros dispositivos. Luego son colocados en una caja,
sosteniéndose la una contra la otra, o por un material de soporte, como
perdigones o grava. Algunos se vacían mientras se mantienen apoyados en el
piso, con un contrapeso en la parte superior.
Proceso de Endurecimiento de Moldes de CO2.
El proceso de endurecimiento de los moldes y los corazones utilizando
y el
empleo de un algomerante de base líquida de silicato de sodio es ampliamente
usado. Debido a sus ventajas inherentes y a la rapidez en la cual endurece el
molde, actualmente es usada en muchas fundiciones. En forma breve, el
procedimiento consiste en el mezclado de arena seca de sílice o de otra
convencional (número de finura AFS alrededor de 75 ) con 31/2 a 5% de
silicato de sodio como aglomerante líquido. Luego queda lista para su uso, y
puede ser colocada en cajas de moldeo y de corazones por máquinas de
moldeo normales, sopladoras de corazones o a mano.
Moldes de Otros Materiales.
Diversos materiales, tales como el hule, el papel y la madera se pueden utilizar
para moldes de metales con bajas temperaturas de fusión. Las joyas y artículos
pequeños se vacían con éxito en moldes de hule. En este trabajo se utiliza
frecuentemente una aleación de 98%
de estaño, 1% de cobre y 1% de
antimonio.
En la Fig. lateral se ilustra un molde
hecho de hule con silicones Dow
Corning, producto conocido como
Silastic. Este material puede ser
usado para modelos de fundición de
cera, plástico o en aleaciones de bajo
punto de fusión. Los moldes estando
a 260ºC se pueden reproducir con
fino detalle, como se quiera, con un
promedio de alta fidelidad. El material
es tan flexible que puede ser extraído
de formas difíciles sin dificultad.
El proceso Shaw es una mezcla de arena, con silicato de etilo hidrolizado, y
otros ingredientes que permiten el recubrimiento del molde que va a ser
"pelado" del modelo. El modelo necesita no ser de cera o mercurio, así como
en el estado " como vaciado", el material viene a ser como hule, entonces se
elimina el modelo, el molde se enciende y luego se cuece para proporcionarle
rigidez, permeabilidad, y alta calidad de acabado en la superficie del molde. El
proceso Shaw se adapta para formas complejas y el modelo es útil
nuevamente, pudiéndose adaptar para operaciones automáticas, pero
relativamente se emplean tiempo y costo, excepto para ciertas fundiciones.
FUNDICIÓN CONTINUA
La investigación y los trabajos experimentales han probado que hay muchas
oportunidades para lograr costos económicos en la fundición continua de
metales. En suma, los metales como punto de partida para la fundición
continua tienen un alto grado de solidez y uniformidad no poseída por otros
métodos de producción de barras y tochos. En forma breve, el proceso consiste
en vaciar continuamente el metal fundido en el interior de un molde, al cual
tiene las facilidades para enfriar rápidamente el metal hasta el punto de
solidificación, y enseguida extraerlo del molde. Los siguientes procesos son
típicos.
Proceso de Molde Alternativo
En el proceso que se ilustra en la Fig. 6.21, se utiliza un molde de cobre
alternativo enfriado por agua, la carrera hacia abajo se sincroniza con la
velocidad de descarga de la plancha. El metal líquido es vaciado en el horno
mantenedor que se muestra, y se descarga en el molde después de haber sido
medido a través de un orificio de 22 mm a la válvula de la aguja. El tubo de
descarga es de 29 mm de diámetro y libera al metal a un promedio de 3.78
Kg/s.
El metal fundido se distribuye transversalmente en el molde por medio de una
pieza horizontal atravesada que queda sumergida. El nivel del metal se
mantiene todo el tiempo constante. La velocidad de vaciado del metal líquido
se controla mediante una válvula de aguja que sale por la parte superior del
molde, es descargado a velocidad constante, entrando a los rodillos
separadores. Estos van sincronizados con el movimiento hacia abajo del molde
y están montados justamente arriba de una sierra circular que corta los
planchones a las longitudes requeridas. Los planchones de bronce así
producidos, se transforman en láminas y cintas mediante laminado en frío.
También se producen en la misma forma, grandes cantidades de piezas
redondas de 178 a 254 mm de diámetro, para procesos de extrusión en
caliente.
Proceso Asarco
El proceso, se muestra en la figura siguiente, difiere de otros procesos
continuos en que la matriz formadora o molde, queda integrado con el horno, y
no hay problema para controlar el flujo de metal. El metal se alimenta por
gravedad
al interior del
molde desde el horno y se
va
solidificando
continuamente y es extraído
por los rodillos inferiores.
Una parte importante de
este proceso es la matriz de
grafito enfriada por agua,
que es autolubricada, es
resistente a los choques
térmicos y no es atacada por
las aleaciones a base de
cobre. El extremo superior
del metal líquido, actúa
como un rebosadero y
compensa por cualquier
contracción que pudiera
ocurrir
durante
la
solidificación, en tanto que
actúa
simultáneamente
como una trayectoria para la
disipación de los gases
desarrollados.
Estas
matrices
se
maquinan
fácilmente a la forma
requerida y se pueden
obtener
productos
que
varían de 10 a 230 mm en diámetro. La producción múltiple a partir de una
matriz simple permite el vaciado de barras de menor sección recta.
Procesos de Fundición Continua con Moldes de Latón.
El proceso de fundición continua para aceros al carbono y aceros aleados
usando moldes de latón o cobre de grandes espesores, los cuales permiten
una velocidad de flujo de calor que es suficiente para prevenir que el molde no
sea dañado por el metal que se empieza a vaciar. Los moldes de latón o cobre
tienen una alta conductividad de calor que no son fáciles de ser mojadas por el
acero líquido. La sección transversal usada como dato varía alrededor de 7 a
57 mm2. El metal es suministrado al molde por medio de una boquilla colocada
en un vertedero o caja de colado. El vertedero es a su vez alimentado desde
una olla convencional.
Proceso de Enfriamiento Directo
En este proceso se vacían en forma
continua lingotes de aluminio y de
aleaciones de aluminio, formando
una cáscara en un molde vertical
estacionario, enfriado por agua. La
solidificación se complementa por la
aplicación directa de agua abajo del
molde. Al comenzar, el molde está
tapado por un bloque colocado
sobre un elevador o por medio de
un falso lingote. El metal líquido es
alimentado desde un horno a través
de
vertederos
y
conductos,
regulando el flujo manual o
automáticamente por medio de un
flotador controlador, de modo que
coincide con la rapidez del colado
que se controla mediante el
elevador o de rodillos impulsores. El
proceso
se
muestra
esquemáticamente en la Fig. 6.23.
se producen piezas de secciones
arriba de 1 m2. Las longitudes, 2.5
a 3.8 m de largo limitados por la
carrera del elevador, o bien cuando
se emplean rodillos, los lingotes se
cortan a las longitudes finales. La calidad superficial es adecuada tal y como
sale del colado para ciertas aleaciones y productos, o puede requerir quitar una
delgada capa superficial, para otras aleaciones, o para aplicaciones más
críticas.