PROCESOS DE FUNDICI DE METALES C O N T E N I D O D E L CAPÍTULO 11.1

11.2

11.3

11.4

11.5 11.6 11.7

Fundición e n a r e n a 11.1.1 M o d e l o s y núcleos 1 1 . 1 . 2 M o l d e s y s u fabricación 1 1 . 1 . 3 L a o p e r a c i ó n d e fundición O t r o s p r o c e s o s d e fundición c o n m o l d e s d e s e c h a b l e s 11.2.1 M o l d e o e n cascarón 1 1 . 2 . 2 M o l d e o a l vacío 11.2.3 P r o c e s o s d e p o l i e s t i r e n o e x p a n d i d o 1 1 . 2 . 4 Fundición p o r r e v e s t i m i e n t o 1 1 . 2 . 5 Fundición c o n m o l d e s d e y e s o y d e c e r á m i c a P r o c e s o s d e fundición c o n m o l d e s p e r m a n e n t e s 11.3.1 El p r o c e s o básico c o n m o l d e s p e r m a n e n t e s 1 1 . 3 . 2 V a r i a c i o n e s d e l a fundición c o n m o l d e s p e r m a n e n t e s 1 1 . 3 . 3 Fundición c o n t r o q u e l 1 1 . 3 . 4 Fundición centrífuga L a práctica d e l a fundición 11.4.1 Hornos 1 1 . 4 . 2 V e r t i d o , l i m p i e z a y t r a t a m i e n t o térmico Calidad del fundido L o s m e t a l e s p a r a fundición C o n s i d e r a c i o n e s s o b r e e l diseño d e l p r o d u c t o

L o s p r o c e s o s d e fundición s e d i v i d e n e n d o s categorías, c o n b a s e e n e l t i p o d e m o l d e : I m o l d e s d e s e c h a b l e s y 2 ) m o l d e s p e r m a n e n t e s . E n l a s o p e r a c i o n e s d e fundición c o n u a m o l d e d e s e c h a b l e , d e b e s a c r i f i c a r s e éste c o n o b j e t o d e r e t i r a r l a p i e z a f u n d i d a . C o m o p a r a c a d a f u n d i d o s e r e q u i e r e u n m o l d e n u e v o , e s f r e c u e n t e q u e l a s t a s a s d e producción c o n p r o c e s o s d e m o l d e s d e s e c h a b l e s estén l i m i t a d a s p o r e l t i e m p o q u e s e r e q u i e r e p a r a h a c e r e l m o l d e , más q u e p o r e l q u e s e n e c e s i t a p a r a e l f u n d i d o e n sí. S i n e m b a r g o , p a r a c i e r t a s f o r m a s d e las piezas, l o s m o l d e s d e a r e n a p u e d e n p r o d u c i r s e y hacerse l o s f u n d i d o s a tasas d e 4 0 0 p i e z a s p o r h o r a y aún más. E n l o s p r o c e s o s d e fundición c o n m o l d e s p e r m a n e n t e s , se f a b r i c a e l m o l d e c o n m e t a l ( u o t r o m a t e r i a l d u r a d e r o ) y s e e m p l e a m u c h a s v e c e s p a r a elaborar f u n d i d o s n u m e r o s o s . E n consecuencia, estos procesos t i e n e n u n a ventaja n a t u r a l e n términos d e t a s a s d e producción.

Sección 11.1/Fundición en arena

215

E l e s t u d i o d e l o s p r o c e s o s d e fundición está o r g a n i z a d o e n e s t e capítulo c o m o s i g u e : 1 ) fundición e n a r e n a , 2 ) o t r o s p r o c e s o s d e fundición c o n m o l d e s d e s e c h a b l e s y 3 ) p r o c e s o s d e fundición c o n m o l d e s p e r m a n e n t e s . E l capítulo también i n c l u y e e l e q u i p o y prácticas d e fundición q u e s e e m p l e a n e n l a s f u n d i d o r a s . O t r a sección s e o c u p a d e l a inspección y t e m a s d e c a l i d a d . E n l a sección f i n a l s e p r e s e n t a n l o s l i n e a m i e n t o s p a r a e l diseño d e p r o d u c t o s .

|1

F U N D I C I Ó N EN ARENA L a fundición c o n a r e n a e s , p o r m u c h o , e l p r o c e s o q u e s e u s a c o n más a m p l i t u d , p u e s e s r e s p o n s a b l e d e l a mayoría d e l t o t a l d e l p e s o d e l o s f u n d i d o s . C a s i t o d a s l a s a l e a c i o n e s d e fundición p u e d e n f u n d i r s e c o n a r e n a ; d e h e c h o , e s u n o d e l o s p o c o s p r o c e s o s q u e p u e d e n u s a r s e p a r a m e t a l e s c o n t e m p e r a t u r a s d e fusión e l e v a d a s , t a l e s c o m o a c e r o s , níqueles y t i t a n i o s . S u v e r s a t i l i d a d p e r m i t e l a fundición d e p i e z a s c u y o t a m a ñ o varía d e p e q u e ñ o a m u y g r a n d e (véase l a f i g u r a 1 1 . 1 ) y e n c a n t i d a d e s d e producción q u e v a n d e s d e u n o a m i llones. L a fundición en a r e n a , también c o n o c i d a c o m o fundición en molde de a r e n a , c o n s i s te e n v e r t e r m e t a l d e r r e t i d o e n u n m o l d e d e arena y dejar q u ese solidifique, para l u e g o r o m p e r e l m o l d e y retirar el f u n d i d o . E l f u n d i d o debe l i m p i a r s e e inspeccionarse, y a veces s e r e q u i e r e d a r l e t r a t a m i e n t o térmico a f i n d e m e j o r a r s u s p r o p i e d a d e s metalúrgicas. L a c a v i d a d d e l m o l d e d e a r e n a s e f o r m a p o r l a compresión d e a r e n a a l r e d e d o r d e u n m o d e l o ( u n d u p l i c a d o a p r o x i m a d o d e la pieza p o r fundir), y l u e g o se r e t i r a e l m o d e l o separando e l m o l d e e n d o s m i t a d e s . E l m o l d e también c o n t i e n e e l s i s t e m a d e p a s o o s i s t e m a d e v a c i a d o y l a m a z a r o t a . Además, s i e l f u n d i d o v a a t e n e r s u p e r f i c i e s i n t e r i o r e s ( p o r e j e m p l o , p a r t e s h u e c a s o c o n a g u j e r o s ) , d e b e i n c l u i r s e u n núcleo e n e l m o l d e . C o m o éste s e s a c r i f i c a p a r a r e t i r a r e l f u n d i d o , debe hacerse u n m o l d e n u e v o p o r cada pieza q u ese produce. D e esta descripción b r e v e , s e c o n s i d e r a q u e l a fundición c o n a r e n a n o sólo e s l a operación d e f u n -

216

Capítulo 11/Procesos de fundición de metales

Fabricación del núcleo (si fuera necesario)

Fabricación del m o d e l o

ir Arena -

Preparación

Fabricación

d e la a r e n a

del m o l d e

r Materia prima

F I G U R A 11.2

Vertido

Solidificación enfriamiento

del molde de

Limpieza e

arena

inspección

Remoción

Fundido terminadc

S e c u e n c i a d e las e t a p a s d e la p r o d u c c i ó n e n la f u n d i c i ó n c o n a r e n a . Se i n c l u y e n o s ó l o la o p e r a c i ó n d e f u n d i c i ó n i

t a m b i é n la f a b r i c a c i ó n d e l m o d e l o y la f a b r i c a c i ó n d e l m o l d e .

d i d o e n sí, s i n o también l a fabricación d e l m o d e l o y l a fabricación d e l m o l d e . L a s e c u o r f d e producción s e p r e s e n t a e n l a f i g u r a 1 1 . 2 . E n l a s s e c c i o n e s s i g u i e n t e s e l e s t u d i o t i e n e q u e v e r c o n : m o d e l o s , núcleos, m o l . . fabricación, l a operación d e f u n d i d o , y l i m p i e z a e inspección.

11.1.1

Modelos y núcleos L a fundición c o n a r e n a r e q u i e r e u n modelo, e s d e c i r , u n "patrón" d e tamaño r e a p i e z a , a u n q u e más g r a n d e p a r a q u e s e t o m e e n c u e n t a l a s t o l e r a n c i a s p o r c o n t r a c c x a j m a q u i n a d o e n e l f u n d i d o final. L o s m a t e r i a l e s que se usan para fabricar m o d e l o s i n c t a f f l m a d e r a , plásticos y m e t a l e s . L a m a d e r a e s u n m a t e r i a l común p a r a h a c e r m o d e l o s d e b t J a l la facilidad para darle f o r m a . Sus desventajas son que tiende a deformarse y la arena croes c o m p a c t a a l r e d e d o r d e e l l a l a e r o s i o n a , l o q u e l i m i t a e l número d e v e c e s q u e p u e d e \ ci«J a u t i l i z a r s e . L o s m o d e l o s d e m e t a l s o n más c a r o s , p e r o d u r a n m u c h o más. L o s p L r e p r e s e n t a n u n a c o m o d o e n t r e l a m a d e r a y e l m e t a l . L a selección d e l m a t e r i a l a p r o p i a ^ para e lm o d e l o d e p e n d e m u c h o d e l acantidad total d e fundidos p o r hacer. C o m o s e i l u s t r a e n l a f i g u r a 1 1 . 3 . h a y v a r i o s t i p o s d e m o d e l o s . E l más s i m p l e h e c h o d e u n a s o l a p i e z a y r e c i b e e l n o m b r e d e modelo sólido, t i e n e l a m i s m a f o r m a e l f u n d i d o y s u t a m a ñ o está a j u s t a d o p a r a l a contracción y e l m a q u i n a d o . A u n q u e e s m o d e l o más fácil d e f a b r i c a r , n o e s e l más fácil d e u s a r p a r a h a c e r m o l d e s d e a r e n a , determinación d e l a ubicación d e l a línea d e separación d e l a s d o s m i t a d e s d e l m o l d e • m o d e l o sólido p u e d e s e r u n p r o b l e m a , y l a incorporación d e l s i s t e m a d e p a s o y l a maz¿r al m o l d e queda a juicio y habilidad del trabajador que funde. E n consecuencia, los modc sólidos s e l i m i t a n p o r l o g e n e r a l a c a n t i d a d e s m u y b a j a s d e producción. L o s modelos deslizantes consisten e n dos piezas, que d i v i d e n l a p a r t e a l o largi j p l a n o q u e c o i n c i d e c o n l a línea d i v i s o r i a d e l m o l d e . L o s m o d e l o s d e s l i z a n t e s s o n a p r o p p a r a p i e z a s c o n c o n f i g u r a c i o n e s geométricas c o m p l e j a s y c a n t i d a d e s m o d e r a d a s d e r n ducción. L a línea d e división d e l m o l d e está p r e d e t e r m i n a d a p o r l a s d o s m i t a c k m o d e l o , y n o se deja a l c r i t e r i o d e l operador. P a r a c a n t i d a d e s d e producción m a y o r e s s e e m p l e a n m o d e l o s d e p l a c a s a j u s t a d a c a p u c h a y b a s e . E n l o s m o d e l o s d e placas ajustadas, las dos piezas d e l m o d e l o deslizara están s u j e t a s a l o s l a d o s o p u e s t o s d e u n a p l a c a d e m a d e r a o m e t a l . L o s a g u j e r o s e n l a p l a n p e r m i t e n q u e l o s m a r c o s s u p e r i o r e i n f e r i o r (capucha y base) d e l m o l d e se alineer a

Sección 11.1/Fund¡c¡ón en arena

Modelo d e la mazarota Modelo

a) lA 11.3

b)

217

M o d e l o del semimolde superior

Modelo de la b a s e o semimolde inferior

c)

T i p o s d e m o d e l o s q u e se e m p l e a n e n la f u n d i c i ó n c o n m o l d e s d e a r e n a : á) s ó l i d o , b) d e d e s l i z a m i e n t o , c ) d e p l a c a s

das y d) d e c a p u c h a y b a s e .

f o r m a a d e c u a d a . L o s modelos de capucha y base s o n s i m i l a r e s a l o s d e p l a c a s a j u s t a d a s , e x c e p t o p o r q u e l a s m i t a d e s q u e s e s e p a r a n están a j u s t a d a s a p l a c a s d i f e r e n t e s , d e m o d o q u e las secciones d e l a c a p u c h a y base d e l m o l d e se f a b r i c a n d e m a n e r a i n d e p e n d i e n t e e n l u g a r d e usar las m i s m a s h e r r a m i e n t a s p a r a a m b a s . E n e l i n c i s o d d e la f i g u r a se m u e s t r a e l sistema d e paso y m a z a r o t a d e los m o d e l o s d e capucha y base. L o s m o d e l o s definen la f o r m a externa del vertido de la pieza por fundir. Si el fundido v a a t e n e r s u p e r f i c i e s i n t e r n a s s e r e q u i e r e u n núcleo. U n núcleo (corazón) e s u n m o d e l o a tamaño r e a l d e las s u p e r f i c i e s i n t e r i o r e s d e l a p i e z a . S e i n s e r t a e n l a c a v i d a d d e l m o l d e a n t e s d e l v e r t i d o , d e m o d o q u e e l m e t a l d e r r e t i d o fluirá y s e solidificará e n t r e l a c a v i d a d d e l m o l d e y e l núcleo, p a r a f o r m a r l a s s u p e r f i c i e s e x t e r n a e i n t e r n a d e l f u n d i d o . P o r l o g e n e r a l , e l núcleo está h e c h o d e a r e n a , c o m p a c t a d a p a r a q u e t e n g a l a f o r m a q u e s e d e s e a . I g u a l q u e e l m o d e l o , e l t a m a ñ o r e a l d e l núcleo d e b e i n c l u i r t o l e r a n c i a s p a r a l a contracción y e l m a q u i n a d o . E n función d e l a f o r m a d e l a p i e z a , e l núcleo quizá r e q u i e r a s o p o r t e s p a r a q u e d a r e n posición e n l a c a v i d a d d e l m o l d e d u r a n t e e l v e r t i d o . E s t o s s o p o r t e s , l l a m a d o s coronas, están h e c h o s d e u n m e t a l c o n t e m p e r a t u r a d e fusión más a l t a q u e l a d e l m e t a l q u e se v a a f u n d i r . P o r e j e m p l o , p a r a h a c e r f u n d i d o s d e h i e r r o s e usarían c o r o n a s d e a c e r o . E n e l v e r t i d o y solidificación, l a s c o r o n a s s e u n e n e n e l f u n d i d o . E n l a f i g u r a 1 1 . 4 s e i l u s t r a u n a r r e g l o p o s i b l e d e u n núcleo e n u n m o l d e c o n c o r o n a s . L a p a r t e d e l a c o r o n a q u e s o b r e s a l e d e l f u n d i d o se c o r t a p o s t e r i o r m e n t e .

K 11.4

a) N ú c l e o m a n t e n i d o e n su s i t i o d e n t r o d e la c a v i d a d d e l m o l d e p o r m e d i o d e c o r o n a s , b) d i s e ñ o p o s i b l e d e las c o r o n a s ,

ido c o n cavidad interna.

a)

b)

c)

218

Capítulo 11/Procesos de fundición de metales

11.1.2

Moldes y su fabricación L a s a r e n a s d e fundición s o n sílice ( S i O , ) o sílice m e z c l a d o c o n o t r o s m i n e r a l e s . L a a r d e b e t e n e r b u e n a s propiedades refractarias, es decir, capacidad d e s o p o r t a r t e m p e r a ' a l t a s s i n q u e s e f u n d a o s u f r a algún o t r o t i p o d e degradación. O t r a s características i t a n t e s d e l a a r e n a s o n e l t a m a ñ o d e l g r a n o , s u distribución e n l a m e z c l a y l a f o r m a d e g r a n o s i n d i v i d u a l e s (véase l a sección 1 6 . 1 ) . L o s g r a n o s p e q u e ñ o s d a n u n a m e j o r s u p e a l t e r m i n a d o d e l a p i e z a f u n d i d a , p e r o l o s d e t a m a ñ o g r a n d e s o n más p e r m e a b l e s ( p e r m i t i r e l escape d e l o s gases d u r a n t e e l v e r t i d o ) . L o s m o l d e s elaborados c o n gr i r r e g u l a r e s t i e n d e n a s e r más f u e r t e s q u e l o s h e c h o s c o n g r a n o s r e d o n d e a d o s d e b i d i imbricación, a u n q u e ésta t i e n d e a r e s t r i n g i r l a p e r m e a b i l i d a d . A l hacer e l m o l d e , los g r a n o s d e a r e n a se m a n t i e n e n u n i d o s p o r u n a m e z c l a d e y a r c i l l a a d h e s i v a . U n a m e z c l a común ( e n v o l u m e n ) e s d e 9 0 % d e a r e n a , 3 % d e a 7 % d e arcilla. Para m a n t e n e r a l aarcilla e n s u sitio se e m p l e a n distintos agentes adhes c o m o r e s i n a s orgánicas ( p o r e j e m p l o , r e s i n a s fenólicas) y a g l u t i n a n t e s inorgánicos e j e m p l o , s i l i c a t o d e s o d i o y f o s f a t o ) . A d e m á s d e l a a r e n a y e l a g l u t i n a n t e , e n ocasión, agregan aditivos a l a mezcla a f i n d e m e j o r a r propiedades tales c o m o l a resistencia permeabilidad del molde. P a r a f o r m a r l a c a v i d a d d e l m o l d e , e l método t r a d i c i o n a l c o n s i s t e e n c o m p a c t a r a r e n a a l r e d e d o r d e l m o d e l o p a r a l a c a p u c h a y base, e n u n c o n t e n e d o r l l a m a d o caja moldeo. E l p r o c e s o d e compactación s e l l e v a a c a b o c o n métodos d i f e r e n t e s . E l más s i r e s g o l p e a r c o n l a m a n o , l o q u e l l e v a a c a b o u n t r a b a j a d o r d e l a fundición. A d e m á s , se " i n v e n t a d o d i v e r s a s máquinas p a r a m e c a n i z a r e l p r o c e d i m i e n t o d e compactación. o p e r a n con distintos mecanismos, entre ellos: 1) c o m p r i m i r la arena alrededor del m p o r m e d i o d e presión neumática, 2 ) e j e c u t a r u n a acción d e g o l p e t e o e n l a q u e l a a r c o n t e n i d a e n l a caja d e m o l d e o c o n e l m o d e l o , se d e j a c a e r r e p e t i d a s veces a f i n d e que c o m p r i m a e n s u s i t i o y 3 ) r e a l i z a r u n a acción d e l a n z a m i e n t o e n l a q u e l o s g r a n o s d e a i chocan a gran velocidad contra el modelo. U n a a l t e r n a t i v a a l a s c a j a s t r a d i c i o n a l e s p a r a c a d a m o l d e d e a r e n a e s e l moldeo c a j a de moldeo, q u e s e r e f i e r e a l u s o d e u n a c a j a d e m o l d e o m a e s t r a , e n u n s i s t e m a m e c a n ~ d e producción d e m o l d e s . C a d a m o l d e d e a r e n a s e p r o d u c e p o r m e d i o d e l a m i s m a c a j a m o l d e o m a e s t r a . C o n e s t e m é t o d o s e a f i r m a q u e l a producción d e m o l d e s a l c a n z a l o s p o r h o r a [6], P a r a d e t e r m i n a r l a calidad del m o l d e d e arena se e m p l e a n diferentes indicadores 1 ) resistencia, c a p a c i d a d d e l m o l d e p a r a c o n s e r v a r s u f o r m a y r e s i s t i r l a erosión o c a s i o p o r e l flujo d e u n m e t a l f u n d i d o ; d e p e n d e d e l a f o r m a d e l g r a n o , c u a l i d a d e s a d h e s i w a g l u t i n a n t e , y o t r o s f a c t o r e s ; 2 ) permeabilidad, capacidad d e lm o l d e para permitir q t p a s e n e l a i r e y l o s g a s e s c a l i e n t e s a través d e l o s vacíos d e l a a r e n a , d u r a n t e l a o p e r a c u : _ f u n d i d o ; 3 ) estabilidad térmica, característica d e l a a r e n a e n s u s u p e r f i c i e d e l a c a v i d m o l d e p a r a r e s i s t i r e l a g r i e t a m i e n t o y l a deformación a n t e e l c o n t a c t o c o n e l m e t a l t u r 4 ) colapsabilidad, f a c i l i d a d d e q u e e l m o l d e se r e t i r e y p e r m i t a q u e e l f u n d i d o se c o n t r a J s i n q u e s e a g r i e t e ; también s e r e f i e r e a l a f a c i l i d a d c o n q u e s e q u i t a l a a r e n a d e l fundiáJ d u r a n t e s u l i m p i e z a , y 5 ) reutilización, ¿es p o s i b l e r e u t i l i z a r l a a r e n a d e l m o l d e r o t o p a a hacer o t r o s m o l d e s ? E n ocasiones, estas m e d i d a s s o n i n c o m p a t i b l e s : p o r e j e m p l o , u n m o t i l con m u c h a resistencia es m e n o s colapsable. C o n frecuencia, los m o l d e s d e arena se clasifican c o m o d e a r e n a verde, arena s.. d e s u p e r f i c i e s e c a . L o s moldes de a r e n a verde están e l a b o r a d o s c o n u n a m e z c l a d e a r c a d a r c i l l a y a g u a ; l a p a l a b r a verde s e r e f i e r e a l h e c h o d e q u e e l m o l d e c o n t i e n e h u m e d . : el m o m e n t o del v e r t i d o . L o s m o l d e s d e a r e n a v e r d e t i e n e n resistencia suficiente pa mayoría d e a p l i c a c i o n e s , b u e n a s c o l a p s a b i l i d a d , p e r m e a b i l i d a d y p o s i b i l i d a d e s d e : y s o n l o s m e n o s c a r o s d e t o d o s l o s m o l d e s . S o n e l t i p o d e m o l d e q u e más s e e m p l e a , p e a n o c a r e c e n d e p r o b l e m a s . L a h u m e d a d d e l a a r e n a o c a s i o n a d e f e c t o s a c i e r t o s fundida», l o q u e d e p e n d e d e l m e t a l y f o r m a d e l a p i e z a . U n molde de a r e n a seca está h e c h o c o a a g l u t i n a n t e s orgánicos e n l u g a r d e a r c i l l a , y s e c u e c e e n u n h o r n o g r a n d e a t e m p e r a t u r a :

Sección 11.1/Fundición en arena

219

q u e v a n d e 2 0 0 °C a 3 2 0 °C ( 4 0 0 °F a 6 0 0 °F) [ 6 ] . E l h o r n e a d o d a r e s i s t e n c i a a l m o l d e y e n d u r e c e l a superficie d e la cavidad. L o s m o l d e s d e a r e n a seca p r o p o r c i o n a n m e j o r c o n t r o l d i m e n s i o n a l d e l p r o d u c t o f u n d i d o , e n comparación c o n l o s d e a r e n a v e r d e . S i n e m b a r g o , e s más c a r o h a c e r m o l d e s d e a r e n a s e c a , y l a t a s a d e producción d i s m i n u y e d e b i d o a l t i e m p o de secado. L a s aplicaciones se l i m i t a n p o r l ogeneral a f u n d i d o s m e d i o s y grandes c o n t a s a s d e producción p e q u e ñ a s o m e d i a n a s . C o n u n molde de superficie seca, s e o b t i e n e n las ventajas d e los d e a r e n a seca secando l a superficie d e u n m o l d e d e a r e n a v e r d e hasta u n a p r o f u n d i d a d d e 1 0 a 2 5 m m(0.4 a 1 i n ) d e l a cavidad del m o l d e , m e d i a n t e sopletes, lámparas d e c a l o r u o t r o s m e d i o s . P a r a d a r r e s i s t e n c i a a l a s u p e r f i c i e d e l a c a v i d a d d e b e agregarse a l a m e z c l a d e a r e n a m a t e r i a l e s adhesivos especiales. L a s clasificaciones anteriores d e los m o l d e s se r e f i e r e n al uso d e aglutinantes c o n v e n c i o n a l e s q u e c o n s i s t e n e n a r c i l l a y a g u a o a q u e l l o s q u e r e q u i e r e n c u r a d o c o n c a l o r . Además d e e s t a s c l a s i f i c a c i o n e s , se h a n c r e a d o m o l d e s a g l u t i n a d o s e n f o r m a química q u e n o s e b a s a n e n n i n g u n o d e l o s i n g r e d i e n t e s d e unión t r a d i c i o n a l e s . A l g u n o s d e l o s m a t e r i a l e s a g l u t i n a n t e s q u e se e m p l e a n e n estos sistemas " s i n h o r n o " i n c l u y e n resinas d e f u r a n o s ( q u e c o n s i s t e n e n a l c o h o l , u r e a y formaldehído), f e n o l e s y a c e i t e s alquidálicos. L o s m o l d e s s i n h o r n o s e u s a n c a d a v e z más d e b i d o a s u b u e n c o n t r o l d i m e n s i o n a l y a p l i c a c i o n e s d e a l t a producción.

3

La operación de fundición Después d e c o l o c a r e n posición e l núcleo ( s i l o h a y ) y d e q u e l a s d o s m i t a d e s d e l m o l d e s e h a c e n e m b o n a r , s e p r o c e d e a h a c e r l a fundición. E s t a c o n s i s t e e n e l v e r t i d o , solidificación y e n f r i a m i e n t o d e l a p i e z a f u n d i d a (véanse l a s s e c c i o n e s 1 0 . 2 y 1 0 . 3 ) . E l s i s t e m a d e p a s o y l a m a z a r o t a d e l m o l d e d e b e n diseñarse p a r a l l e v a r m e t a l líquido a l a c a v i d a d y p r o p o r c i o n a r l e a l m a c e n a m i e n t o s u f i c i e n t e d u r a n t e l a contracción p o r solidificación. D e b e p e r m i t i r s e q u e e s c a p e n e l a i r e y l o s gases. U n o d e l o s p e l i g r o s d u r a n t e e l v e r t i d o e s q u e l a flotación i n d u c i d a p o r e l m e t a l f u n d i d o d e s p l a c e a l núcleo. L a flotación r e s u l t a , según e l p r i n c i p i o d e Arquímedes, d e l p e s o d e l m e t a l f u n d i d o q u e d e s p l a z a e l núcleo. D i c h a f u e r z a t i e n d e a e l e v a r e l núcleo y e s i g u a l a l p e s o d e l líquido d e s p l a z a d o m e n o s e l p e s o d e l núcleo e n sí. E n f o r m a d e ecuación se e x p r e s a así: (íi.i) d o n d e F = f u e r z a d e flotación, N ( I b ) ; W = p e s o d e l m e t a l f u n d i d o d e s p l a z a d o , N ( I b ) y W = p e s o d e l núcleo, N ( I b ) . L o s p e s o s s e d e t e r m i n a n c o m o e l v o l u m e n d e l núcleo m u l t i p l i c a d o p o r l a s d e n s i d a d e s r e s p e c t i v a s d e l m a t e r i a l q u e l o c o n s t i t u y e ( a r e n a , p o r l o común) y d e l m e t a l p o r f u n d i r . L a d e n s i d a d d e u n núcleo d e a r e n a e s d e a p r o x i m a d a m e n t e 1 . 6 g / c m ( 0 . 0 5 8 l b / i n ) . E n l a t a b l a 1 . 1 s e d a n l a s d e n s i d a d e s d e v a r i a s a l e a c i o n e s d e fundición comunes. b

m

3

3

T A B L A 11.1 D e n s i d a d e s d e a l e a c i o n e s d e fundición s e l e c c i o n a d a s . Densidad Material

g/cm

3

lb/in

Densidad 3

Material

g/cm

3

lb/in

A l u m i n i o (con pureza de 9 9 % )

2.70

0.098

Hierro colado, gris

3

7.16

0.260

Aleación d e a l u m i n i o - s i l i c i o

2.65

0.096

Cobre (con pureza de 9 9 % )

8.73

0.317

Aluminio-cobre (92% de aluminio)

2.81

0.102

Plomo (puro)

11.30

0.410

8.62

0.313

Acero

7.82

0.284

Latón

a

Fuente: [5]. a

L a d e n s i d a d d e p e n d e d e l a composición d e l a aleación; l o s v a l o r e s q u e s e d a n s o n l o s más c o m u n e s .

3

220

Capítulo 11/Procesos de fundición de metales

Ejemplo 11.1 La f l o t a c i ó n e n el m o l d e o c o n arena

3

U n núcleo d e a r e n a t i e n e u n v o l u m e n d e 1 8 7 5 c m y s e l o c a l i z a d e n t r o d e l a c a v i d a d d e m o l d e d e a r e n a . D e t e r m i n e l a f u e r z a d e flotación q u e t i e n d e a e l e v a r e l núcleo d u r a vertido de p l o m o dentro del molde. Solución: L a d e n s i d a d d e l núcleo d e a r e n a e s d e 1 . 6 g / c m . E l p e s o d e l núcleo 1 8 7 5 ( 1 . 6 ) = 3 0 0 0 g = 3 . 0 k g . C o n b a s e e n l a t a b l a 1 1 . 1 , 1 a d e n s i d a d d e l p l o m o e s d e 11.3 E l p e s o d e l p l o m o q u e d e s p l a z a e l núcleo e s d e 1 8 7 5 ( 1 1 . 3 ) = 2 1 , 1 8 8 g = 2 1 . 1 9 kg« diferencia es d e 21.19 - 3.0 = 18.19 k g . D a d o q u e 1 k g = 9.81 N , l a f u e r z a d e flotaci F = 9 . 8 1 ( 1 8 . 1 9 ) = 178.4 N . 3

h

Después d e l a solidificación y e n f r i a m i e n t o , s e r o m p e e l m o l d e d e a r e n a q u e c o a l f u n d i d o p a r a r e t i r a r éste. L u e g o , s e l i m p i a l a p i e z a , e l s i s t e m a d e p a s o y l s m a z ~ s e p a r a n y s e q u i t a l a a r e n a . Después, s e i n s p e c c i o n a e l f u n d i d o (véase l a sección 11JS

11.2

OTROS PROCESOS DE F U N D I C I O N C O N MOLDES DESECHABLES N o o b s t a n t e q u e l a fundición c o n a r e n a e s t a n versátil, e x i s t e n o t r o s p r o c e s o s d e f u n creados p a r a satisfacer necesidades especiales. L a s diferencias e n t r e dichos m e e s t r i b a n e n l a composición d e l m a t e r i a l d e l m o l d e o l a m a n e r a e n q u e s e l e f a b r i c a , o e n l af o r m a e n q u e se hace e l m o d e l o .

11.2.1

Moldeo en cascarón o concha E l moldeo en cascarón o concha e s u n p r o c e s o d e fundición e n e l q u e e l moldé . cascarón d e l g a d o ( e s c o m ú n q u e m i d a 9 m m o 3 / 8 d e i n ) h e c h o d e a r e n a y q u e s e m c o h e s i o n a d o p o r m e d i o d e u n a g l u t i n a n t e d e r e s i n a t e r m o f i j a . S e inventó e n A l e m p r i n c i p i o s d e l a década d e 1 9 4 0 y e l p r o c e s o s e d e s c r i b e e i l u s t r a e n l a f i g u r a 1 1 . 5 . E l p r o c e s o d e m o l d e o e n cascarón t i e n e m u c h a s v e n t a j a s . L a s u p e r f i c i e d e l a c a v d e u n m o l d e e n cascarón e s más s u a v e q u e l a d e l m o l d e c o n v e n c i o n a l d e a r e n a V Í e s t a s u a v i d a d p e r m i t e u n flujo más fácil d u r a n t e e l v e r t i d o d e l m e t a l líquido y u n acá m e j o r d e l a s u p e r f i c i e d e l f u n d i d o f i n a l . E s p o s i b l e o b t e n e r a c a b a d o s d e 2.5 / m i ( 1 0 0 También s e a l c a n z a u n a e x a c t i t u d d i m e n s i o n a l b u e n a , c o n t o l e r a n c i a s p o s i b l e s d e ±0.23 (±0.010 i n ) e n p i e z a s d e t a m a ñ o p e q u e ñ o a m e d i o . E s f r e c u e n t e q u e e l a c a b a d o y e x a buenos excluyan l a necesidad de m a q u i n a d o adicional. L a colapsabilidad del m o l d e general es suficiente p a r a e v i t a r l ar u g o s i d a d y a g r i e t a m i e n t o del f u n d i d o . L a s d e s v e n t a j a s d e l m o l d e o e n cascarón i n c l u y e n u n m o d e l o d e m e t a l más c a r o el correspondiente a l m o l d e o con arena verde. E s t o hace q u ee l m o l d e o con concha difícil d e j u s t i f i c a r p a r a c a n t i d a d e s p e q u e ñ a s d e p i e z a s , p e r o p u e d e m e c a n i z a r s e p a r a producción m a s i v a y e s m u y económico p a r a c a n t i d a d e s g r a n d e s . P a r e c e a p r o p i a d o especial p a r a f u n d i d o s d e acero d e m e n o s d e 2 0 libras. A l g u n o s e j e m p l o s d e piezas b r i c a d a s c o n e l e m p l e o d e m o l d e o c o n c o n c h a i n c l u y e n e n g r a n a j e s , c u e r p o s d e váh b o q u i l l a s y árboles d e l e v a s .

11.2.2

Moldeo al vacío E l moldeo a l vacío, también l l a m a d o proceso V, s e inventó e n Japón a l r e d e d o r d e 1 U t i l i z a u n m o l d e d e a r e n a q u e s e m a n t i e n e u n i d o p o r m e d i o d e u n a presión d e vacío l u g a r d e e m p l e a r u n a g l u t i n a n t e químico. E n c o n s e c u e n c i a , e l término vacío s e r e f t e n e l c o n t e x t o d e e s t e p r o c e s o , a l a fabricación d e l m o l d e e n l u g a r d e a l a operación f u n d i d o e n sí. E n l a f i g u r a 1 1 . 6 s e e x p l i c a n l a s e t a p a s d e l p r o c e s o . U n a d e l a s v a r i a s v e n t a j a s d e l m o l d e o a l vacío e s l a recuperación d e a r e n a , d e b i d o que n o se e m p l e a n aglutinantes. A s i m i s m o , l a a r e n a n o r e q u i e r e e l r e a c o n d i c i o n a n r _

Sección 11.2/Otros procesos de f u n d i c i ó n con m o l d e s desechables

221

Modelo

4) • U U

11.5

5)

6)

Etapas d e l m o l d e o e n c a s c a r ó n : 1) se c a l i e n t a u n a p l a c a d e a j u s t e o d e c a p u c h a y b a s e , y se c o l o c a s o b r e u n a c a j a q u e

• B e r < £ a r e n a m e z c l a d a c o n a l g u n a r e s i n a t e r m o f i j a ; 2) se i n v i e r t e la c a j a d e m o d o q u e la a r e n a y la r e s i n a c a i g a n s o b r e e l m o d e l o • Sencillez geométrica. A u n q u e l a fundición e s u n p r o c e s o q u e p u e d e u s a r s e p a r a p r c x p i e z a s d e f o r m a c o m p l e j a , l a simplificación d e l diseño d e ésta mejorará s u f a c : p a r a f u n d i r s e . E v i t a r c o m p l e j i d a d e s i n n e c e s a r i a s s i m p l i f i c a l a fabricación d e l m r e d u c e l a n e c e s i d a d d e núcleos y m e j o r a l a r e s i s t e n c i a d e l f u n d i d o . >-

Esquinas. D e b e n e v i t a r s e l a s e s q u i n a s y ángulos a g u d o s , p o r q u e s o n f u e n t e s d e c o n c e n d e esfuerzos y o c a s i o n a n a g r i e t a m i e n t o s calientes y fisuras e n e l f u n d i d o . D e b e n dise" biseles g e n e r o s o s p a r a las esquinas i n t e r n a s , y las aristas a g u d a s d e b e n suavizarse.

*- Espesores de sección. L o s e s p e s o r e s d e l a sección d e b e n s e r u n i f o r m e s a f i n d e e \ c a v i d a d e s p o r f u g a s . L a s s e c c i o n e s g r u e s a s c r e a n puntos calientes e n e l f u n d i d o , de a q u e u n v o l u m e n m a y o r r e q u i e r e más t i e m p o p a r a s o l i d i f i c a r s e y e n f r i a r s e . Éstas u b i c a c i o n e s p r o b a b l e s d e las cavidades p o r fuga. L a figura 11.24 ilustra e l p r o b l e m a ofrece algunas soluciones posibles. > - Inclinación. L a s s e c c i o n e s d e l a p i e z a q u e s e p r o y e c t a n e n e l i n t e r i o r d e l m o l d e d t e n e r u n a inclinación o desviación, c o m o s e d e f i n e e n l a f i g u r a 1 1 . 2 5 . E n l a f u n d : c o n m o l d e s d e s e c h a b l e s , e l propósito d e e s a inclinación e s a y u d a r a e x t r a e r d e l m l a p i e z a . D e b e p e r m i t i r s e d e s v i a c i o n e s s i m i l a r e s s i s e e m p l e a n núcleos sólidos e n F I G U R A 11.24

a) U n a s e c c i ó n

g r u e s a e n la i n t e r s e c c i ó n p u e d e dar c o m o resultado u n a c a v i d a d p o r f u g a . Las

Núcleo

Probable cavidad por fuga

6

s o l u c i o n e s i n c l u y e n b) el r e d i s e ñ o p a r a d i s m i n u i r el e s p e s o r y c ) usar u n n ú c l e o .

a)

b)

c)

S e c c i ó n 1 . 7 / C o n s i d e r a c i o n e s s o b r e el d i s e ñ o d e l p r o d u c t o

243

- InclinaciónCapucha i

Núcleo

í I v 11.25

Capucha J

Cambio

ño para e l i m i n a r

l l

i

Base

¡idad d e utilizar u n

/

] l

) 4

L í n e a d e s e p a r a c i áó nn — /

a) d i s e ñ o o r i g i n a l y

Base

eño.

Línea de separación

Inclinación-

a)

b)

p r o c e s o d e f u n d i d o . P a r a l a fundición c o n m o l d e s d e a r e n a l a inclinación q u e s e r e q u i e r e n e c e s i t a s e r d e sólo I , y d e 2 a 3 p a r a p r o c e s o s c o n m o l d e s p e r m a n e n t e s . o

o

o

>•

Uso de núcleos. C i e r t o s c a m b i o s p e q u e ñ o s e n e l diseño d e l a p i e z a r e d u c e n l a n e c e s i d a d d e u t i l i z a r núcleos, c o m o s e i l u s t r a e n l a f i g u r a 1 1 . 2 5 .

>•

Tolerancias dimensionales. H a y diferencias significativas e n l a exactitud dimensional q u e p u e d e alcanzarse e n los fundidos, l o q u e d e p e n d e d e l proceso q u e se utilice. E n l a t a b l a 1 1 . 2 s e p r e s e n t a u n a recopilación d e t o l e r a n c i a s c o m u n e s p a r a p i e z a s c o n d i f e r e n t e s p r o c e s o s y m e t a l e s d e fundición.

»- Acabado de las superficies. L a r u g o s i d a d s u p e r f i c i a l común q u e s e l o g r a e n l a fundición con a r e n a es d e a l r e d e d o r d e 6 u m ( 2 5 0 jU-in). D e m a n e r a similar, c o n los m o l d e s d e cascarón s e o b t i e n e m a l o s a c a b a d o s , e n t a n t o q u e l o s m o l d e s d e y e s o y l a fundición p o r r e v e s t i m i e n t o p r o d u c e n v a l o r e s m u c h o m e j o r e s d e r u g o s i d a d : 0 . 7 5 u m ( 3 0 /¿-in). E n t r e l o s p r o c e s o s c o n m o l d e p e r m a n e n t e e s n o t a b l e l a fundición c o n t r o q u e l d e b i d o a l o s buenos acabados de superficie que produce, alrededor d e 1 u m (40 jU-in). >•

•BL-

2.

I

Tolerancias de maquinado. E n m u c h o s p r o c e s o s d e fundición l a s t o l e r a n c i a s q u e p u e d e n alcanzarse s o n i n s u f i c i e n t e s p a r a satisfacer las n e c e s i d a d e s d e f u n c i o n a m i e n t o e n m u c h a s a p l i c a c i o n e s . L a fundición c o n a r e n a e s e l e j e m p l o más n o t a b l e d e e s t a deficiencia. E n estos casos, d e b e n m a q u i n a r s e piezas d e l f u n d i d o p a r a darles l a s dimensiones requeridas. Casi todos l o sfundidos con arena deben maquinarse hasta c i e r t o g r a d o a f i n d e q u e l a p i e z a s e a f u n c i o n a l . P o r t a n t o , e n ésta s e d e j a m a t e r i a l a d i c i o n a l , l l a m a d o t o l e r a n c i a de maquinado, p a r a m a q u i n a r esas s u p e r f i c i e s d o n d e sea n e c e s a r i o . L a s t o l e r a n c i a s c o m u n e s d e m a q u i n a d o p a r a f u n d i d o s c o n a r e n a varían e n t r e 1.5 m m y 3 m m ( 1 / 1 6 i n y VA i n ) .

Tolerancias d i m e n s i o n a l e s c o m u n e s para los d i f e r e n t e s p r o c e s o s d e f u n d i c i ó n y metales. Tolerancia

Tamaño e fundido

d e la p i e z a

Proceso de f u n d i d o

mm

pfcj--

. r.-s Je cobre

colado • de c o b r e

e la pieza

mm

in

Molde permanente

con arena

• r

Tolerancia

Pequeño

±0.5

±0.020

Aluminio

Pequeño

±0.25

±0.010

Pequeño

±1.0

±0.040

H i e r r o colado

Pequeño

+ 0.8

±0.030

Grande

±1.5

±0.060

Aleaciones de cobre

Pequeño

+ 0.4

+ 0.015

Pequeño

±0.4

±0.015

Acero

Pequeño

+ 0.5

+ 0.020

Pequeño

±1.3

± 0.050

Grande

±2.0

± 0.080

3

Pequeño

±0.12

± 0.005

A l e a c i o n e s de c o b r e

Pequeño

±0.12

±0.005 ± 0.005

3

Fundición con troquel Aluminio

Pequeño

±0.25

± 0.010

Revestimiento

Pequeño

±0.5

±0.020

Aluminio

Pequeño

±0.12

Pequeño

±0.4

±0.015

Hierro colado

Pequeño

±0.25

±0.010

Pequeño

±0.8

± 0.030

A l e a c i o n e s de c o b r e

Pequeño

±0.12

±0.005

Pequeño

±0.12

± 0.005

Acero

Pequeño

±0.25

+ 0.010

Grande

±0.4

±0.015

h d e las referencias [5], [12] y otras. • w para el a l u m i n i o t a m b i é n se aplican para el magnesio.

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