PROCESOS DE FUNDICIÓN DE METALES
FUNDICIÓN EN ARENA
La fundición con arena es, por mucho, el proceso que se usa con más amplitud, pues es responsable de la mayoría del total del peso de los fundidos. Casi todas las aleaciones de fundición pueden fundirse con arena; de hecho, es uno de los pocos procesos que pueden usarse para metales con temperaturas de fusión elevadas, tales como aceros, níqueles y titanios. Su versatilidad permite la fundición de piezas cuyo tamaño varía de pequeño a muy grande (véase la figura 11.1) y en cantidades de producción que van desde uno a millones.
La fundición en arena, también conocida como fundición en molde de arena, consiste en verter metal derretido en un molde de arena y dejar que se solidifique, para luego romper el molde y retirar el fundido. El fundido debe limpiarse e inspeccionarse, y a veces se requiere darle tratamiento térmico a fin de mejorar sus propiedades metalúrgicas. La cavidad del molde de arena se forma por la compresión de arena alrededor de un modelo (un duplicado aproximado de la pieza por fundir), y luego se retira el modelo separando el molde en dos mitades. El molde también contiene el sistema de paso o sistema de vaciado y la mazarota. Además, si el fundido va a tener superficies interiores (por ejemplo, partes huecas o con agujeros), debe incluirse un núcleo en el molde. Como éste se sacrifica para retirar el fundido, debe hacerse un molde nuevo por cada pieza que se produce. De esta descripción breve, se considera que la fundición con arena no sólo es la operación de fundido en sí, sino también la fabricación del modelo y la fabricación del molde. La secuencia de producción se presenta en la figura 11.2.
En las secciones siguientes el estudio tiene que ver con: modelos, núcleos, moldes y su fabricación, la operación de fundido, y limpieza e inspección.
Modelos y núcleos
La fundición con arena requiere un modelo, es decir, un ”patrón” de tamaño real de la pieza, aunque más grande para que se tome en cuenta las tolerancias por contracción y maquinado en el fundido final. Los materiales que se usan para fabricar modelos incluyen madera, plásticos y metales. La madera es un material común para hacer modelos debido a la facilidad para darle forma. Sus desventajas son que tiende a deformarse y la arena que se compacta alrededor de ella la erosiona, lo que limita el número de veces que puede volver a utilizarse. Los modelos de metal son más caros, pero duran mucho más. Los plásticos representan un acomodo entre la madera y el metal. La selección del material apropiado para el modelo depende mucho de la cantidad total de fundidos por hacer.
Como se ilustra en la figura 11.3, hay varios tipos de modelos. El más simple está hecho de una sola pieza y recibe el nombre de modelo sólido, tiene la misma forma que el fundido y su tamaño está ajustado para la contracción y el maquinado. Aunque es el modelo más fácil de fabricar, no es el más fácil de usar para hacer moldes de arena. La determinación de la ubicación de la línea de separación de las dos mitades del molde de un modelo sólido puede ser un problema, y la incorporación del sistema de paso y la mazarota al molde queda a juicio y habilidad del trabajador que funde. En consecuencia, los modelos sólidos se limitan por lo general a cantidades muy bajas de producción. Los modelos deslizantes consisten en dos piezas, que dividen la parte a lo largo de un plano que coincide con la línea divisoria del molde.
Los modelos deslizantes son apropiados para piezas con configuraciones geométricas complejas y cantidades moderadas de producción. La línea de división del molde está predeterminada por las dos mitades del modelo, y no se deja al criterio del operador.
Para cantidades de producción mayores se emplean modelos de placas ajustadas o de capucha y base. En los modelos de placas ajustadas, las dos piezas del modelo deslizante están sujetas a los lados opuestos de una placa de madera o metal. Los agujeros en la placa permiten que los marcos superior e inferior (capucha y base) del molde se alineen en forma adecuada. Los modelos de capucha y base son similares a los de placas ajustadas, excepto porque las mitades que se separan están ajustadas a placas diferentes, de modo que las secciones de la capucha y base del molde se fabrican de manera independiente en lugar de usar las mismas herramientas para ambas. En el inciso d de la figura se muestra el sistema de paso y mazarota de los modelos de capucha y base.
Los modelos definen la forma externa del vertido de la pieza por fundir. Si el fundido va a tener superficies internas se requiere un núcleo. Un núcleo (corazón) es un modelo a tamaño real de las superficies interiores de la pieza. Se inserta en la cavidad del molde antes del vertido, de modo que el metal derretido fluirá y se solidificará entre la cavidad del molde y el núcleo, para formar las superficies externa e interna del fundido. Por lo general, el núcleo está hecho de arena, compactada para que tenga la forma que se desea. Igual que el modelo, el tamaño real del núcleo debe incluir tolerancias para la contracción y el maquinado. En función de la forma de la pieza, el núcleo quizá requiera soportes para quedar en posición en la cavidad del molde durante el vertido. Estos soportes, llamados coronas, están hechos de un metal con temperatura de fusión más alta que la del metal que se va a fundir. Por ejemplo, para hacer fundidos de hierro se usarían coronas de acero. En el vertido y solidificación, las coronas se unen en el fundido. En la figura 11.4 se ilustra un arreglo posible de un núcleo en un molde con coronas. La parte de la corona que sobresale del fundido se corta posteriormente.
Moldes y su fabricación
Las arenas de fundición son sílice (SiO2 ) o sílice mezclado con otros minerales. La arena debe tener buenas propiedades refractarias, es decir, capacidad de soportar temperaturas altas sin que se funda o sufra algún otro tipo de degradación. Otras características importantes de la arena son el tamaño del grano, su distribución en la mezcla y la forma de los granos individuales (véase la sección 16.1). Los granos pequeños dan una mejor superficie al terminado de la pieza fundida, pero los de tamaño grande son más permeables (para permitir el escape de los gases durante el vertido). Los moldes elaborados con granos irregulares tienden a ser más fuertes que los hechos con granos redondeados debido a la imbricación, aunque ésta tiende a restringir la permeabilidad.
Al hacer el molde, los granos de arena se mantienen unidos por una mezcla de agua y arcilla adhesiva. Una mezcla común (en volumen) es de 90% de arena, 3% de agua y 7% de arcilla. Para mantener a la arcilla en su sitio se emplean distintos agentes adhesivos, como resinas orgánicas (por ejemplo, resinas fenólicas) y aglutinantes inorgánicos (por ejemplo, silicato de sodio y fosfato). Además de la arena y el aglutinante, en ocasiones se agregan aditivos a la mezcla a fin de mejorar propiedades tales como la resistencia o la permeabilidad del molde.
Para formar la cavidad del molde, el método tradicional consiste en compactar la arena alrededor del modelo para la capucha y base, en un contenedor llamado caja de moldeo. El proceso de compactación se lleva a cabo con métodos diferentes. El más simple es golpear con la mano, lo que lleva a cabo un trabajador de la fundición. Además, se han inventado diversas máquinas para mecanizar el procedimiento de compactación. Éstas operan con distintos mecanismos, entre ellos: 1) comprimir la arena alrededor del modelo por medio de presión neumática, 2) ejecutar una acción de golpeteo en la que la arena, contenida en la caja de moldeo con el modelo, se deja caer repetidas veces a fin de que se comprima en su sitio y 3) realizar una acción de lanzamiento en la que los granos de arena chocan a gran velocidad contra el modelo.
Una alternativa a las cajas tradicionales para cada molde de arena es el moldeo sin caja de moldeo, que se refiere al uso de una caja de moldeo maestra, en un sistema mecanizado de producción de moldes. Cada molde de arena se produce por medio de la misma caja de moldeo maestra. Con este método se afirma que la producción de moldes alcanza los 600 por hora.
Para determinar la calidad del molde de arena se emplean diferentes indicadores: 1) resistencia, capacidad del molde para conservar su forma y resistir la erosión ocasionada por el flujo de un metal fundido; depende de la forma del grano, cualidades adhesivas del aglutinante, y otros factores; 2) permeabilidad, capacidad del molde para permitir que pasen el aire y los gases calientes a través de los vacíos de la arena, durante la operación de fundido; 3) estabilidad térmica, característica de la arena en su superficie de la cavidad del molde para resistir el agrietamiento y la deformación ante el contacto con el metal fundido; 4) colapsabilidad, facilidad de que el molde se retire y permita que el fundido se contraiga sin que se agriete; también se refiere a la facilidad con que se quita la arena del fundido durante su limpieza, y 5) reutilización, ¿es posible reutilizar la arena del molde roto para hacer otros moldes? En ocasiones, estas medidas son incompatibles: por ejemplo, un molde con mucha resistencia es menos colapsable.
Con frecuencia, los moldes de arena se clasifican como de arena verde, arena seca o de superficie seca. Los moldes de arena verde están elaborados con una mezcla de arena, arcilla y agua; la palabra verde se refiere al hecho de que el molde contiene humedad en el momento del vertido. Los moldes de arena verde tienen resistencia suficiente para la mayoría de aplicaciones, buenas colapsabilidad, permeabilidad y posibilidades de reuso, y son los menos caros de todos los moldes. Son el tipo de molde que más se emplea, pero no carecen de problemas. La humedad de la arena ocasiona defectos a ciertos fundidos, lo que depende del metal y forma de la pieza. Un molde de arena seca está hecho con aglutinantes orgánicos en lugar de arcilla, y se cuece en un horno grande a temperaturas que van de 200 ºC a 320 ºC (400 ºF a 600 ºF). El horneado da resistencia al molde y endurece la superficie de la cavidad. Los moldes de arena seca proporcionan mejor control dimensional del producto fundido, en comparación con los de arena verde. Sin embargo, es más caro hacer moldes de arena seca, y la tasa de producción disminuye debido al tiempo de secado. Las aplicaciones se limitan por lo general a fundidos medios y grandes con tasas de producción pequeñas o medianas. Con un molde de superficie seca, se obtienen las ventajas de los de arena seca secando la superficie de un molde de arena verde hasta una profundidad de 10 a 25 mm (0.4 a 1 in) de la cavidad del molde, mediante sopletes, lámparas de calor u otros medios. Para dar resistencia a la superficie de la cavidad debe agregarse a la mezcla de arena materiales adhesivos especiales.
Las clasificaciones anteriores de los moldes se refieren al uso de aglutinantes convencionales que consisten en arcilla y agua o aquellos que requieren curado con calor. Además de estas clasificaciones, se han creado moldes aglutinados en forma química que no se basan en ninguno de los ingredientes de unión tradicionales. Algunos de los materiales aglutinantes que se emplean en estos sistemas “sin horno” incluyen resinas de furanos (que consisten en alcohol, urea y formaldehído), fenoles y aceites alquidálicos. Los moldes sin horno se usan cada vez más debido a su buen control dimensional y aplicaciones de alta producción.
La operación de fundición
Después de colocar en posición el núcleo (si lo hay) y de que las dos mitades del molde se hacen embonar, se procede a hacer la fundición. Ésta consiste en el vertido, solidificación y enfriamiento de la pieza fundida (véanse las secciones 10.2 y 10.3). El sistema de paso y la mazarota del molde deben diseñarse para llevar metal líquido a la cavidad y proporcionarle almacenamiento suficiente durante la contracción por solidificación. Debe permitirse que escapen el aire y los gases.Uno de los peligros durante el vertido es que la flotación inducida por el metal fundido desplace al núcleo. La flotación resulta, según el principio de Arquímedes, del peso del metal fundido que desplaza el núcleo. Dicha fuerza tiende a elevar el núcleo y es igual al peso del líquido desplazado menos el peso del núcleo en sí. En forma de ecuación se expresa así:
Fb = Wm − Wc
Ejemplo La flotación en el moldeo con arena
Solución: La densidad del núcleo de arena es de 1.6 g/cm3 . El peso del núcleo es de 1 875(1.6) = 3 000 g = 3.0 kg. Con base en la tabla 11.1, la densidad del plomo es de 11.3 g/cm3 . El peso del plomo que desplaza el núcleo es de 1 875(11.3) = 21, 188 g = 21.19 kg. La diferencia es de 21.19 – 3.0 = 18.19 kg. Dado que 1 kg = 9.81 N, la fuerza de flotación es Fb = 9.81(18.19) = 178.4 N.
Después de la solidificación y enfriamiento, se rompe el molde de arena que contiene al fundido para retirar éste. Luego, se limpia la pieza, el sistema de paso y ls mazarota se separan y se quita la arena. Después, se inspecciona el fundido.
OTROS PROCESOS DE FUNDICIÓN CON MOLDES DESECHABLES
No obstante que la fundición con arena es tan versátil, existen otros procesos de fundición creados para satisfacer necesidades especiales. Las diferencias entre dichos métodos estriban en la composición del material del molde o la manera en que se le fabrica, o bien en la forma en que se hace el modelo.
Moldeo en cascarón o concha
El moldeo en cascarón o concha es un proceso de fundición en el que el molde es un cascarón delgado (es común que mida 9 mm o 3/8 de in) hecho de arena y que se mantiene cohesionado por medio de un aglutinante de resina termofija. Se inventó en Alemania a principios de la década de 1940 y el proceso se describe e ilustra en la figura 11.5.
El proceso de moldeo en cascarón tiene muchas ventajas. La superficie de la cavidad de un molde en cascarón es más suave que la del molde convencional de arena verde, y esta suavidad permite un flujo más fácil durante el vertido del metal líquido y un acabado mejor de la superficie del fundido final. Es posible obtener acabados de 2.5 µm (100 µ-in). También se alcanza una exactitud dimensional buena, con tolerancias posibles de ±0.25 mm (±0.010 in) en piezas de tamaño pequeño a medio. Es frecuente que el acabado y exactitud buenos excluyan la necesidad de maquinado adicional. La colapsabilidad del molde por lo general es suficiente para evitar la rugosidad y agrietamiento del fundido.
Las desventajas del moldeo en cascarón incluyen un modelo de metal más caro que el correspondiente al moldeo con arena verde. Esto hace que el moldeo con concha sea difícil de justificar para cantidades pequeñas de piezas, pero puede mecanizarse para la producción masiva y es muy económico para cantidades grandes. Parece apropiado en especial para fundidos de acero de menos de 20 libras. Algunos ejemplos de piezas fabricadas con el empleo de moldeo con concha incluyen engranajes, cuerpos de válvulas, boquillas y árboles de levas.
Moldeo al vacío
El moldeo al vacío, también llamado proceso V, se inventó en Japón alrededor de 1970. Utiliza un molde de arena que se mantiene unido por medio de una presión de vacío en lugar de emplear un aglutinante químico. En consecuencia, el término vacío se refiere, en el contexto de este proceso, a la fabricación del molde en lugar de a la operación de fundido en sí. En la figura 11.6 se explican las etapas del proceso.
Una de las varias ventajas del moldeo al vacío es la recuperación de arena, debido a que no se emplean aglutinantes. Asimismo, la arena no requiere el reacondicionamiento mecánico intenso que es normal hacer cuando se emplean aglutinantes para la arena. Como no se mezcla agua con la arena, el producto no tiene los defectos relacionados con la humedad. Las desventajas del proceso V son que es relativamente lento y que no se adapta con facilidad a la mecanización.
Procesos de poliestireno expandido
El proceso de fundición con poliestireno expandido usa un molde de arena compactada alre de dor de un modelo de espuma de poliuretano que se vaporiza cuando el metal fundido se vierte en el molde. El proceso y sus variaciones se conocen también con otros nombres, tales como proceso de espuma perdida, proceso de patrón perdido, proceso de evaporación de espuma y proceso de molde lleno (este último es una marca registrada). El modelo de poliestireno incluye la mazarota, vertedores y sistema de paso, y también contiene núcleos internos (de ser necesarios), lo que elimina la necesidad de contar con un núcleo por separado en el molde. Asimismo, dado que el modelo de espuma en sí se convierte en la cavidad en el molde, se puede ignorar otras consideraciones sobre las líneas de separación y dibujo. El molde no tiene que estar abierto en las secciones de capucha y base. En la figura 11.7 se ilustra y describe la secuencia de este proceso de fundición. Se usan diferentes métodos para hacer el modelo, en función de la cantidad de fundidos por producir. Para fundidos de una sola clase, la espuma se corta en forma manual de rollos grandes y se ensambla para formar el modelo. Para corridas grandes de producción, se prepara una operación de moldeo automatizada para moldear los modelos antes de fabricar los moldes para la fundición. Normalmente, éste se recubre con un compuesto refractario que proporciona una superficie más suave sobre él y para mejorar su resistencia a la alta temperatura. Por lo general, los moldes de arena incluyen agentes de unión. Sin embargo, en ciertos procesos de este grupo se emplea arena seca, lo que ayuda al recubrimiento y reuso.
Una ventaja significativa de este proceso es que el modelo no necesita retirarse del molde. Esto simplifica y agiliza la fabricación de éste. En un molde convencional de arena verde, se requiere de dos mitades con líneas de separación apropiadas, se debe proveer de tolerancias en el diseño del molde, los núcleos deben insertarse y debe agregarse el sistema de paso y mazarota. Con el proceso de poliestireno expandido, estas etapas se incluyen en el modelo mismo. La desventaja del proceso es que se necesita un modelo nuevo para cada fundición. La justificación económica del proceso de poliestireno expandido depende mucho del costo de producción de los modelos. El proceso de fundido con poliestireno expandido se ha aplicado para producir en masa fundiciones para motores de automóviles. A fin de moldear los modelos de espuma de poliestireno para estas aplicaciones, se instalan sistemas de producción automatizada.
Fundición por revestimiento
En la fundición por revestimiento, se elabora un modelo de cera y se recubre con un material refractario para formar el molde, después de lo cual se derrite la cera antes de verter el metal fundido. El término revestimiento proviene de una de las definiciones menos familiares de la palabra revestir, que es “cubrir por completo”, lo que se refiere al recubrimiento del material refractario alrededor del modelo de cera. Es un proceso de precisión para fundir, debido a que es capaz de generar fundidos de gran exactitud y detalles intrincados. El proceso se remonta al antiguo Egipto (véase la nota histórica 11.1) y también se le conoce como proceso de la cera perdida, debido a que el modelo de ese material se pierde en el molde antes de la fundición.
En la figura 11.8 se describen las etapas de la fundición por revestimiento. Como el modelo de cera se derrite después de hacer el molde refractario, debe elaborarse un modelo separado por cada fundido. La producción de modelos por lo general se lleva a cabo por medio de una operación de moldeo, vertiendo o inyectando la cera caliente en un troquel maestro diseñado con tolerancias apropiadas para permitir la contracción tanto de la cera como del fundido metálico subsecuente. En los casos en que la forma de la pieza es complicada, pueden unirse varias piezas separadas de cera para formar el modelo. En operaciones de producción grande, se unen varios modelos a un bebedero, también hecho de cera, para formar un árbol de modelos; ésta es la configuración geométrica que se fundirá con el metal.
El recubrimiento con material refractario (etapa 3) por lo general se lleva a cabo con la inmersión del árbol de modelos en una masa muy fina de sílice granular u otro refractario (casi en polvo) mezclado con la pasta para unir el molde a la forma. El grano pequeño del material refractario proporciona una superficie suave y captura los detalles intrincados del modelo de cera. El molde final (etapa 4) se lleva a cabo sumergiendo el árbol repetidas veces en la masa refractaria o compactando con suavidad el material refractario alrededor del árbol en un contenedor. Se deja secar el molde alrededor de ocho horas para endurecer el aglutinante.
Las ventajas de la fundición por revestimiento incluyen las siguientes: 1) es posible fundir piezas de gran complejidad y detalle, 2) se puede tener mucho control dimensional, tolerancias de ±0.075 mm (±0.003 in), 3) se tiene un acabado bueno de la superficie, 4) por lo general se puede recuperar la cera para volver a emplearla y 5) normalmente no se requiere maquinado adicional; éste es un proceso de forma neta. Debido a que en esta operación de fundido están involucradas muchas etapas, es un proceso relativamente caro. Lo normal es que las piezas elaboradas por medio de fundición por revestimiento sean pequeñas, aunque se ha llegado a fundir con éxito piezas con formas complejas que pesan hasta 75 libras. Todos los tipos de metales, incluidos aceros, aceros inoxidables y otras aleaciones de temperatura alta, son susceptibles de usarse en la fundición por revestimiento. Algunos ejemplos de piezas incluyen elementos complejos de maquinaria, aspas y otros componentes de motores de turbina, joyería y piezas dentales. En la figura 11.9 se ilustra una pieza que muestra las características intrincadas que son posibles con la fundición por revestimiento.
Fundición con moldes de yeso y de cerámica
La fundición con molde de yeso es similar a aquella con arena, excepto que el molde está hecho de yeso de París (CaSO4 –2H2 O), en vez de arena. Con el yeso se mezclan aditivos tales como el talco y polvo de sílice para controlar la contracción y el tiempo de preparación, reducir el agrietamiento y aumentar la resistencia. Para hacer el molde, se vierte la mezcla de yeso y agua sobre un modelo de plástico o metal en un recipiente y se deja reposar. Por lo general los modelos de madera son insatisfactorios debido al contacto largo con el agua del yeso. La consistencia del fluido permite que la mezcla de yeso fluya con facilidad alrededor del modelo y capture sus detalles y acabado de la superficie. Así, el producto que se funde en moldes de yeso es notable por tener dichos atributos.
Una de las desventajas del proceso es la cura del molde de yeso, al menos en producción elevada. El molde debe permanecer en reposo alrededor de 20 minutos antes de que el modelo se desmonte. Después, el molde se hornea durante varias horas a fin de eliminar la humedad. Aun con el horneo, no todo el contenido de humedad llega a eliminarse. El dilema que enfrentan los fundidores es que la resistencia del molde se pierde cuando la pasta se deshidrata demasiado, por lo que el contenido de humedad ocasiona defectos en la fundición del producto. Debe llegarse a un balance entre estas alternativas indeseables. Otra desventaja con el molde de yeso es que no es permeable, lo que limita el escape de los gases de la cavidad del molde. Este problema se puede resolver de distintos modos: 1) con la evacuación del aire de la cavidad del molde antes del vertido 2) por medio del oreo de la masa de yeso antes de fabricar el molde, de modo que la pasta dura que resulte contenga vacíos dispersados finamente y 3) con el uso de una composición especial del molde y el tratamiento conocido como proceso de Antioquia. Éste consiste en usar 50% de arena mezclada con el yeso, calentar el molde en un autoclave (horno que utiliza vapor supercaliente y a presión) y después dejar que se seque. El molde que resulta tiene una permeabilidad considerablemente mayor que la de uno de yeso convencional.
Los moldes de yeso no resisten temperaturas tan altas como las de los moldes de arena. Por tanto, están limitados a la fundición de aleaciones con puntos de fusión bajos, como las de aluminio, magnesio y algunas con base de cobre. Las aplicaciones incluyen moldes de metal para moldear caucho y plástico, impulsores de turbinas y bombas, y otras piezas de forma relativamente intrincada. Los tamaños de los fundidos van de alrededor de 20 g (menos de 1 onza) a más de 100 kg (más de 200 libras). Las más comunes son las piezas que pesan 10 kg (20 libras), aproximadamente. Las ventajas de los moldes de yeso para estas aplicaciones son el buen terminado de la superficie, la exactitud dimensional y la capacidad de fabricar fundidos de sección transversal delgada.
El fundido con moldes cerámicos es similar al fundido con aquéllos de yeso, excepto que el molde se elabora con materiales cerámicos refractarios que resisten temperaturas más elevadas que los de yeso. Así, los moldes cerámicos se emplean para fundir aceros, hierro y otras aleaciones de alta temperatura. Sus aplicaciones (moldes y piezas relativamente intrincadas) son similares a las de las fundiciones hechas en moldes de yeso, excepto para la fundición de metales. Sus ventajas (exactitud y terminado buenos) también son parecidas.
PROCESOS DE FUNDICIÓN CON MOLDES PERMANENTES
La desventaja económica de cualquiera de los procesos con molde desechable es que se requiere uno nuevo para cada fundido. En la fundición con molde permanente, el molde se reutiliza muchas veces. En esta sección se trata la fundición con moldes permanentes como el proceso básico del grupo de procesos de fundido que emplean moldes de metal susceptibles de volver a emplearse; otros procesos del grupo son la fundición a troquel y la fundición centrífuga.
El proceso básico con moldes permanentes
La fundición con moldes permanentes usa un molde de metal construido con dos secciones diseñadas para tener facilidad de apertura y cierre. Es común que estos moldes estén hechos de acero o hierro fundido. La cavidad, con el sistema de paso incluido, se maquina en las dos mitades para proporcionar dimensiones exactas y buen acabado de la superficie. Los metales que es común fundir en moldes permanentes son aluminio, magnesio, aleaciones a base de cobre y hierro colado. Sin embargo, el hierro colado requiere una temperatura de vertido elevada, de 1 250 ºC a 1 500 °C (2 300 ºF a 2 700 ºF), que tiene un efecto grande en la vida del molde. Las temperaturas de vertido muy altas del acero hacen que los moldes permanentes no sean apropiados para este metal, a menos que el molde se fabrique con material refractario.
Es posible usar núcleos en los moldes permanentes a fin de formar superficies internas en el producto fundido. Los núcleos están hechos de metal, pero su forma debe permitir la remoción del fundido o bien deben colapsarse en forma mecánica para lograr ese cometido. Si el retiro del núcleo de metal es difícil o imposible, hay que usar moldes de arena, caso en el que es frecuente referirse al proceso como fundición con molde semipermanente.
En la figura 11.10 se describe el proceso básico de fundición con moldes permanentes. En la preparación del fundido, primero se precalienta el molde y se rocían uno o más recubrimientos sobre la cavidad. El precalentamiento facilita que el metal fluya a través del sistema de paso y hacia la cavidad. Los recubrimientos ayudan a disipar el calor y lubrican las superficies del molde para que sea más fácil la separación del producto fundido. Después del vertido, tan pronto como se solidifica el metal, se abre el molde y se retira el fundido. A diferencia de los moldes desechables, los permanentes no se colapsan, por lo que deben abrirse antes de que ocurra una contracción apreciable por el enfriamiento a fin de impedir la formación de grietas en el fundido.
Las ventajas de la fundición con moldes permanentes incluyen buen acabado de la superficie y control dimensional estrecho, como ya se dijo. Además, la solidificación más rápida ocasionada por el molde metálico da como resultado una estructura de grano más fina, por lo que se producen fundidos más fuertes. El proceso se limita por lo general a metales con puntos de fusión bajos. Otras limitaciones son que las formas de las piezas son más sencillas, en comparación con las de la fundición con arena (debido a la necesidad de abrir el molde), y lo caro del molde. Debido a que el costo del molde es elevado, el proceso se adapta mejor a una producción elevada y se puede automatizar en consecuencia. Los productos comunes incluyen pistones de automóviles, cuerpos de bombas y ciertos fundidos para aeronaves y mísiles.
Variaciones de la fundición con moldes permanentes
Varios procesos de fundición son muy parecidos al método básico con molde permanente. Éstos incluyen la fundición con molde permanente en hueco, a baja presión y al vacío.
Fundición en hueco La fundición en hueco es un proceso con molde permanente en el que un fundido hueco se forma por medio de la inversión del molde después de la solidificación parcial de la superficie a fin de drenar el metal líquido del centro. La solidificación comienza en las paredes del molde porque están relativamente frías, y con el paso del tiempo avanza hacia la mitad del fundido (véase la sección 10.3.1). El espesor del cascarón o concha se controla por el tiempo que se permite transcurra antes del drenado. La fundición en hueco se emplea para hacer estatuas, pedestales de lámparas y juguetes, con metales de punto de fusión bajo, tales como plomo, zinc y estaño. En esos artículos es importante la apariencia exterior, pero la resistencia y la forma interior del fundido son consideraciones menores.
Fundición a baja presión En el proceso básico de molde permanente y en la fundición en hueco, el flujo del metal hacia la cavidad del molde está ocasionado por la gravedad. En la fundición a baja presión el metal líquido se fuerza a pasar a la cavidad sujeto a baja presión, aproximadamente 0.1 MPa (15 lb/in2 ), desde abajo, de modo que el flujo es hacia arriba, como se ilustra en la figura 11.11. La ventaja de este enfoque sobre el vertido tradicional es que al molde se introduce metal derretido limpio desde el centro del recipiente, en vez de metal que ya se haya expuesto al aire. De ese modo se minimizan los defectos de porosidad por gas y oxidación, y mejoran las propiedades mecánicas.
Fundición al vacío con molde permanente La fundición al vacío con molde permanente (no confundir con el molde al vacío, véase la sección 11.2.2) es una variación de aquélla a baja presión, en la cual se emplea un vacío para impulsar el metal derretido hacia la cavidad del molde. La configuración general del proceso de fundición al vacío con molde permanente es similar a la de la operación de fundición a baja presión. La diferencia está en que se utiliza la presión reducida del aire desde el vacío del molde para llevar metal líquido hacia la cavidad, en lugar de forzarlo con presión positiva de aire desde abajo. Hay varios beneficios en la técnica de vacío, relacionados con la fundición a baja presión: se reduce la porosidad por aire y los defectos relacionados con ésta, y se da mayor resistencia al producto fundido.
Fundición con troquel
La fundición con troquel es un proceso de fundición con molde permanente en el que se inyecta a presión elevada metal fundido a la cavidad del molde. Las presiones comunes son de 7 a 350 MPa (1 000 a 50 000 lb/in2 ). La presión se mantiene durante la solidificación, después de la cual el molde se abre y se retira la pieza. Los moldes para esta operación de fundido reciben el nombre de troqueles, de donde deriva su nombre el proceso. La característica más notable que diferencia a este proceso de los demás de la categoría de moldes permanentes, es el uso de presión elevada para forzar el paso del metal a la cavidad del troquel.
Las operaciones de fundición con troquel se llevan a cabo en máquinas especiales (véase la nota histórica 11.2). Éstas se diseñan para que las dos mitades del molde embonen y cierren con exactitud, y las mantengan cerradas mientras se fuerza al metal líquido a pasar a la cavidad. En la figura 11.12 se aprecia la configuración general. Hay dos tipos principales de máquinas para fundición con troquel: 1) cámara caliente y 2) cámara fría, que se diferencian en la manera en que el metal derretido se inyecta a la cavidad.
En las máquinas de cámara caliente el metal se derrite en un contenedor adosado a la máquina, y se emplea un pistón para inyectar metal líquido a alta presión hacia el troquel. Las presiones de inyección comunes son de 7 a 35 MPa (1 000 a 5 000 lb/in2 ). El ciclo de fundición se resume en la figura 11.13. No son raras tasas de producción de hasta 500 piezas por hora. La fundición con troquel de cámara caliente plantea un reto especial al sistema de inyección debido a que gran parte de éste se encuentra sumergido en el metal fundido. Por tanto, el proceso está limitado a aplicaciones con metales de punto bajo de fusión que no impongan ataque químico al pistón y otros componentes mecánicos. Los metales incluyen zinc, estaño, plomo y en ocasiones magnesio.
En las máquinas de fundición con troquel de cámara fría se vierte metal derretido hacia una cámara que no está caliente, desde un contenedor externo, y se emplea un pistón para inyectarlo a alta presión hacia la cavidad del troquel. Las presiones de inyección comunes que se usan en estas máquinas son de 14 a 140 MPa (2 000 a 20 000 lb/in2 ). En la figura 11.14 se explica el ciclo de producción. En comparación con las máquinas de cámara caliente, las tasas del ciclo por lo general no son tan rápidas debido a la necesidad de una cuchara de colada para vaciar el metal líquido desde una fuente externa hacia la cámara. No obstante, este proceso de fundición es una operación de producción elevada. Las máquinas de cámara fría se usan por lo común para fundir aleaciones de aluminio, latón y magnesio. Aleaciones con punto de fusión bajo (zinc, estaño, plomo) también pueden fundirse en máquinas de cámara fría, pero por lo general las ventajas del proceso con cámara caliente favorecen su uso sobre estos metales.
Generalmente, los moldes que se usan en operaciones de fundición con troquel están hechos de acero para herramientas, acero para moldes o acero al níquel con bajo contenido de carbono. También se emplean tungsteno y molibdeno con calidades refractarias buenas, en especial para fundir acero con troquel y hierro colado. Los troqueles pueden ser de una cavidad o varias. En las figuras 11.13 y 11.14 se ilustran troqueles de una sola cavidad.
Los pasadores eyectores se requieren para retirar la pieza del troquel cuando éste se abre, como se observa en los diagramas. Estos pasadores empujan la pieza hacia afuera de la superficie del molde de modo que pueda retirarse. También deben rociarse lubricantes en las cavidades, a fin de impedir que estén pegajosas.
Debido a que los materiales del troquel no tienen porosidad natural, y que el metal
fundido fluye con rapidez hacia éste durante la inyección, deben hacerse agujeros de
ventilación y vías de paso en los troqueles, en la línea de separación, para evacuar el aire y
gases de la cavidad. Las ventilaciones son muy pequeñas; en realidad se llenan con metal
durante la inyección. Este metal debe recortarse de la pieza más tarde. Asimismo, en la
fundición con troquel es común la formación de una rebaba, que entra como metal líquido
a presión alta al espacio pequeño entre las mitades del troquel, en la línea de separación o
en los claros alrededor de los núcleos y los pasadores eyectores. Esta rebaba debe recortarse
del fundido, junto con el bebedero y el sistema de paso.
Entre las ventajas de la fundición con troquel se incluyen las siguientes: 1) son posibles
tasas elevadas de producción, 2) es económica para cantidades grandes de producción,
3) se pueden tener tolerancias estrechas, del orden de ±0.076 mm (±0.003 in) para piezas
pequeñas, 4) buen acabado de la superficie, 5) son posibles las secciones delgadas, por
debajo de 0.5 mm (0.020 in) y 6) el enfriamiento rápido proporciona un tamaño pequeño
del grano y buena resistencia al fundido. La limitación de este proceso, además de los
metales por fundir, es la restricción de la forma. La configuración geométrica de la pieza
debe permitir su retiro de la cavidad del troquel.
Fundición centrífuga
La fundición centrífuga se refiere a varios métodos de fundición en los que el molde gira a gran velocidad de modo que la fuerza centrífuga distribuye el metal derretido a las regiones externas de la cavidad del troquel. El grupo incluye 1) fundición centrífuga real, 2) fundición semicentrífuga y 3) fundición centrífugada.
La orientación del eje de rotación del molde es horizontal o vertical, y el más común es el primero. A continuación se estudiará cuán rápido debe girar el molde en una fundición centrífuga horizontal, a fin de que el proceso tenga éxito. La fuerza centrífuga está definida por la siguiente ecuación de física:
donde D es el diámetro interior del molde, m (ft). Si el factor G es demasiado pequeño en la fundición centrífuga, el metal líquido no se verá forzado a permanecer contra la pared del molde durante la mitad superior de la trayectoria circular, sino que “lloverá” dentro de la cavidad. Hay un deslizamiento entre el metal fundido y la pared del molde, lo que significa que la velocidad rotacional del metal es menor que la del molde. Con una base empírica, se ha encontrado que para la fundición centrífuga horizontal son apropiados valores de GF de 60 a 80, aunque esto depende hasta cierto punto del metal que se funde.
Ejemplo Velocidad de rotación en la fundición centrífuga real
Una operación de fundición centrífuga real se lleva a cabo en forma horizontal, a fin de fabricar secciones de tubo de cobre con diámetro exterior (DE) de 25 cm y diámetro interior (DI) de 22.5 cm. ¿Cuál es la velocidad rotacional que se requiere si se va a usar un factor G de 65 para fundir el tubo?Solución: El diámetro interior del molde D = DE del fundido es de 25 cm = 0.25 m. Con la ecuación (11.5) se calcula la velocidad rotacional requerida, como sigue:
Los fundidos hechos con fundición centrífuga real se caracterizan por su densidad elevada, en especial en las regiones exteriores de la pieza, donde F es máxima. La contracción por la solidificación en el exterior del tubo fundido no es un factor, porque la fuerza centrífuga distribuye continuamente metal derretido en dirección de la pared del molde durante la solidificación. Cualesquiera impurezas del fundido tienden a estar en la pared interna y de ser necesario se eliminan con maquinado.
Fundición semicentrífuga Con este método, se emplea la fuerza centrífuga para producir fundiciones sólidas, como se aprecia en la figura 11.16, en vez de piezas tubulares. La velocidad de rotación en la fundición semicentrífuga, por lo general se establece de modo que se obtengan factores G de alrededor de 15, y los moldes se diseñan con mazarotas en el centro a fin de suministrar metal. La densidad del metal en el fundido final es mayor en las secciones exteriores que en el centro de la rotación. El proceso se emplea con frecuencia para piezas en las que el centro de la fundición se maquina, lo que elimina la porción donde la calidad es más baja. Ejemplos de fundidos elaborados con este proceso son las ruedas y las poleas. Para la fundición semicentrífuga es frecuente emplear moldes desechables, como lo sugiere la ilustración del proceso.
Fundición centrífugada
En la fundición centrífugada, véase la figura 11.17, el molde está diseñado con las cavidades de la pieza localizada hacia afuera del eje de rotación, de modo que el metal vertido en el molde se distribuya hacia ellas por medio de la fuerza centrífuga. El proceso se emplea para piezas pequeñas y no es un requerimiento la simetría radial de la pieza, como sí lo es para los otros dos métodos de fundición centrífuga.
Hornos
Los tipos de hornos más comunes que se emplean en las fundidoras son: 1) cubilotes, 2) hornos de combustible directo, 3) crisoles, 4) hornos de arco eléctrico y 5) hornos de inducción. La selección del tipo más apropiado de horno depende de factores tales como: aleación por fundir; sus temperaturas de fusión y vertido; requerimientos de capacidad del horno; costos de la inversión, la operación y el mantenimiento; y las consideraciones sobre contaminación ambiental.
Cubilotes Un cubilote es un horno cilíndrico vertical equipado con un canal de paso (o bebedero de sangrado) cerca de su base. Los cubilotes sólo se usan para hierros colados, y aunque también se emplean otros hornos, el mayor peso en toneladas de hierro colado se obtiene en cubilotes. En la figura 11.18 se ilustra la construcción general y características de operación. Consiste en un cascarón grande de placa de acero recubierta con material refractario. La “carga” consiste en hierro, coque, fundente y tal vez elementos de aleación, y se introduce a través de una puerta que se localiza a menos de la mitad de la altura del cubilote. Por lo general, el hierro es una mezcla del tipo de primera fundición (arrabio) y chatarra (incluidos mazarotas, vaciaderos y bebederos solidificados, procedentes de fundidos anteriores). El coque es el combustible que se usa para calentar el horno. Se introduce aire forzado a través de las aberturas cerca de la base del cascarón para la combustión del coque. El fundente es un compuesto básico como la caliza, que reacciona con la ceniza del coque y otras impurezas para formar la escoria. Ésta sirve para cubrir el fundido, e impide que reaccione con el ambiente dentro del cubilote, y también reduce la pérdida de calor. Conforme la mezcla se calienta y ocurre la fundición del hierro, se desaloja periódicamente el horno para verter metal líquido.
Hornos de combustible directo Un horno de combustible directo contiene un hogar abierto pequeño en el que se calienta la carga de metal por medio de quemadores de combustible ubicados en uno de sus lados. El techo del horno ayuda a la acción de calentar por medio de reflejar la flama hacia abajo contra la carga. El combustible común es gas natural, y los productos de la combustión salen del horno a través de un cañón. En la parte inferior del hogar hay un agujero de salida para extraer el metal fundido. Los hornos de combustible directo por lo general se emplean en el fundido de metales no ferrosos tales como aleaciones a base de cobre y aluminio.
Crisoles Estos hornos funden el metal sin que tenga contacto directo con una mezcla combustible. Por esta razón, en ocasiones se les llama hornos de combustible indirecto. En las fundidoras se utilizan tres tipos de crisoles: a) móvil, b) estacionario y c) de volteo, los cuales se ilustran en la figura 11.19. Todos emplean un contenedor (el crisol) hecho de material refractario apropiado (por ejemplo, una mezcla de arcilla y grafito) o una aleación de acero de alta temperatura, para contener la carga. En el crisol móvil, éste se coloca en un horno y se calienta lo suficiente para derretir la carga de metal. Los combustibles comunes para estos hornos son petróleo, gas o carbón en polvo. Cuando el metal se derrite, el crisol se eleva fuera del horno y se usa como cuenco de vertido. Los otros dos tipos, que en ocasiones reciben el nombre de hornos de vasija, tienen el horno para calentar y el contenedor como unidad integrada. En el horno de crisol estacionario, el horno es estacionario y el metal fundido se extrae del contenedor con un cucharón. En el horno de crisol de volteo, todo el conjunto se inclina para hacer el vertido. Los crisoles se emplean para metales no ferrosos tales como bronce, latón y aleaciones de zinc y aluminio. Las capacidades de los hornos por lo general están limitadas a varios cientos de libras.
Hornos de arco eléctrico En este tipo de horno, la carga se funde debido al calor generado por un arco eléctrico. Existen varias configuraciones, con dos o tres electrodos (véase la figura 6.9). El consumo de energía es alto, pero los hornos eléctricos se diseñan para que tengan capacidad alta de fundición (23 000 a 45 000 kg/h, o 25 a 50 ton/h), y se usan sobre todo para fundir acero.
Hornos de inducción Un horno de inducción emplea corriente alterna que pasa a través de una bobina para desarrollar un campo magnético en el metal, y la corriente inducida que resulta ocasiona el calentamiento rápido y la fundición del metal. En la figura 11.20 se ilustran las características de un horno de inducción para las operaciones de fundición. El campo de fuerza electromagnética hace que ocurra una acción mezcladora en el metal líquido. Asimismo, como el metal no entra en contacto directo con los elementos calientes, el ambiente en que tiene lugar se puede controlar de cerca. Todo esto da como resultado metales fundidos de calidad y pureza altas, y los hornos de inducción se emplean para casi cualquier aleación cuando esos requerimientos son importantes. En el trabajo de fundición son comunes las aplicaciones de fundir aleaciones de acero, hierro y aluminio.
Vertido, limpieza y tratamiento térmico
En ocasiones se lleva el metal derretido del horno de fundición al molde por medio de crisoles. Con más frecuencia, la transferencia se lleva a cabo por medio de cuencos de varias clases. Estos cuencos reciben el metal del horno y permiten que se vierta de manera conveniente en los moldes. En la figura 11.21 se ilustran dos cuencos comunes, uno es para manejar volúmenes grandes de metal derretido por medio de una grúa elevada y el otro es un “cuenco para dos hombres”, para moverlo en forma manual y verter cantidades pequeñas.
Uno de los problemas del vertido es que podría introducirse metal fundido oxidado al molde. Los óxidos de metal reducen la calidad del producto y quizás hagan que el fundido sea defectuoso, por lo que se toman medidas para minimizar la entrada de estos óxidos en el molde durante el vertido. En ocasiones se emplean filtros para capturar los óxidos y otras impurezas conforme se vierte el metal desde el canal, y se emplean fundentes para cubrir el metal derretido a fin de retardar la oxidación. Además, se han creado cuencos para verter el metal líquido desde el fondo, ya que los óxidos se acumulan en la superficie de arriba.
Después de que el fundido se ha solidificado y retirado del molde, por lo general se requiere cierto número de etapas adicionales. Estas operaciones incluyen 1) recortar, 2) retirar el núcleo, 3) limpiar las superficies, 4) inspeccionar, 5) reparar, si se requiriera, y 6) dar tratamiento térmico. En las fundidoras, se conoce al conjunto de las etapas 1 a 5 como “limpieza”. El grado en que se requieren estas operaciones adicionales varía según los procesos de fundido y los metales. Cuando se necesitan, por lo general son intensivas en mano de obra y costosas.
El recorte involucra la remoción de los bebederos, vaciaderos, mazarotas, rebabas en la línea de separación, coronas y cualquier exceso de metal de la pieza fundida. En el caso de aleaciones fundidas frágiles y cuando las secciones transversales sean relativamente pequeñas, es posible romper estos apéndices del fundido. De otro modo, hay que martillar, cortar, cortar con sierra, esmerilar o usar varios métodos de corte con soplete.
Si se usan núcleos para fundir la pieza , hay que retirarlos. La mayor parte de núcleos están unidos por medio químico o con arena y aceite, y es frecuente que caigan del fundido si el aglutinante se deteriora. En ciertos casos se retiran por medio del golpeo al fundido, ya sea en forma manual o mecánica. En instancias raras los núcleos se retiran en forma química con la disolución del agente aglutinante que se usó en el núcleo de arena. Los núcleos sólidos deben martillarse o presionarse.
Es posible que el fundido tenga defectos, por lo que se necesita inspección para detectar su presencia. En la sección siguiente se estudian esos temas de la calidad.
Es frecuente que los fundidos reciban tratamiento térmico a fin de mejorar sus propiedades, ya sea con operaciones subsecuentes tales como maquinar o resaltar las propiedades que se desean para la aplicación de la pieza en el servicio.
CALIDAD DEL FUNDIDO
Hay muchas formas de que las cosas salgan mal en una operación de fundición, lo que da como resultado defectos de calidad del producto. En esta sección se recopila una lista de los defectos comunes que ocurren durante el fundido y se indican los procedimientos de inspección para detectarlos.
Defectos de fundición Algunos defectos son comunes a todos los procesos de fundición; se ilustran en la figura 11.22 y se describen brevemente a continuación:
a) Vacíos son fundidos que se solidifican antes de llenar por completo la cavidad del molde. Las causas comunes incluyen: 1) insuficiente fluidez del metal derretido, 2) temperatura de vertido muy baja, 3) vertido muy despacio y 4) sección transversal de la cavidad del molde muy delgada.
b) Cierres fríos ocurren cuando dos porciones del metal fluyen juntas, pero no hay fusión entre ellas debido a la solidificación prematura. Sus causas son similares a las de los vacíos.
c) Gránulos fríos resultan de las salpicaduras durante el vertido, lo que ocasiona la formación de glóbulos sólidos de metal que quedan atrapados en el fundido. Este defecto puede evitarse con procedimientos de vertido y diseños del sistema de paso que eviten las salpicaduras.
d) Cavidad de fuga es una depresión en la superficie o un vacío interno en el fundido, ocasionado por fugas en la solidificación que restringen la cantidad de metal derretido disponible en la última región que se solidifica. Es frecuente que ocurra cerca de la parte superior del fundido, en cuyo caso se conoce como “rechupe” [véase la figura 10.8(3)]. Con frecuencia, el problema se resuelve con el diseño apropiado de la mazarota.
e) Microporosidad consiste en una red de vacíos pequeños distribuidos en el fundido, ocasionados por la falta de solidificación localizada del metal derretido final en la estructura dendrítica. Este defecto se asocia por lo general con aleaciones, debido a la manera fraccionada en que ocurre la solidificación en esos metales.
f) Desgarre caliente también llamado agrietamiento caliente, ocurre cuando el fundido se ve impedido de contraerse por un molde que no lo propicia durante las etapas finales de la solidificación, o en las primeras del enfriamiento después de solidificarse. El defecto se manifiesta como la separación del metal (de ahí los términos desgarre y agrietamiento) en un punto de esfuerzo grande a la tensión ocasionado por la incapacidad del metal de contraerse en forma natural. En la fundición con arena y otros procesos con moldes desechables, se evita haciendo que el molde sea colapsable. En los procesos con molde permanente, el desgarre caliente disminuye si se retira la pieza del molde inmediatamente después de la solidificación.
Algunos defectos se relacionan con el uso de moldes de arena, y por ello ocurren sólo en los fundidos con arena. En menor grado, otros procesos con moldes desechables también son susceptibles de provocar estos problemas. En la figura 11.23 se ilustran los defectos que ocurren sobre todo en la fundición con arena, y se describen en seguida:
a) Sopladura es un defecto que consiste en una cavidad de gas en forma de globo, ocasionada por la liberación de gases del molde durante el vertido. Ocurre en o cerca de la superficie del fundido, cerca de la parte superior de éste. Las causas habituales son baja permeabilidad, mala ventilación y contenido de humedad alto del molde de arena.
b) Agujeros de pasador también los ocasiona la liberación de gases durante el vertido y consisten en muchas cavidades pequeñas por gases formadas en o ligeramente debajo de la superficie del fundido.
c) Lavado de arena es una irregularidad en la superficie del fundido que se genera por la erosión del molde de arena durante el vertido; el contorno de la erosión se forma en la superficie de la pieza fundida final.
d) Costras son áreas rugosas en la superficie del fundido debido a incrustaciones de arena y metal. Las ocasionan porciones de la superficie del molde que se desprenden durante la solidificación y quedan incrustadas en la superficie del fundido.
e) Penetración se refiere a un defecto de la superficie que ocurre cuando la fluidez del metal líquido es alta y penetra en el molde de arena o núcleo de arena. Una vez solidificado, la superficie del fundido consiste en una mezcla de granos de arena y metal. La compactación estrecha del molde de arena ayuda a disminuir esta condición.
f) Desplazamiento del molde se refiere a un defecto ocasionado por el movimiento lateral de la capucha del molde en relación con la base, lo que da por resultado un escalón en el producto fundido, en la línea de separación.
g) Desplazamiento del núcleo es similar al del molde, pero es el núcleo el que se mueve, y por lo general su desplazamiento es vertical. El desplazamiento del núcleo y molde es ocasionado por la flotación del metal fundido (véase la sección 11.1.3).
h) Agrietamiento del molde ocurre cuando la resistencia del molde es insuficiente y se presenta una grieta, en la que entra metal líquido y forma una “rebaba” en el fundido final.
Métodos de inspección Los procedimientos de inspección en una fundidora incluyen los siguientes: 1) inspección visual para detectar defectos obvios tales como vacíos, cierres fríos y defectos superficiales severos; 2) mediciones dimensionales para garantizar que se cumple con las tolerancias, y 3) pruebas metalúrgicas, químicas, físicas y de otro tipo, relaciona das con la calidad inherente del metal que se funde [5]. Las pruebas de la categoría 3 incluyen: a) pruebas de presión, para localizar fugas en el fundido; b) métodos radiográficos, pruebas de partículas magnéticas, uso de penetradores fluorescentes y pruebas supersónicas, para detectar defectos superficiales o internos en el fundido; y c) pruebas mecánicas para determinar propiedades tales como resistencia a la tensión y dureza. Si los defectos que se descubren no son demasiado serios, con frecuencia es posible salvar el fundido por medio de soldadura, esmerilado u otros métodos de rescate con los que el cliente esté de acuerdo.
LOS METALES PARA FUNDICIÓN
La mayoría de fundidos comerciales están hechos con aleaciones y no con metales puros. Por lo general, las aleaciones son más fáciles de fundir y las propiedades del producto resultante son mejores. Las aleaciones de fundición se clasifican así: 1) ferrosas o 2) no ferrosas. La categoría de las ferrosas se subdivide en hierro colado y acero fundido.Aleaciones ferrosas de fundición: hierro colado El hierro fundido es el más importante de todas las aleaciones para fundición (véase la nota histórica: 11.3). El peso en toneladas de las fundiciones hechas con hierro es varias veces el de todos los demás metales combinados. Hay varios tipos de hierro colado: 1) hierro colado gris, 2) hierro nodular, 3) hierro colado blanco, 4) hierro maleable y 5) hierros colados de aleación (véase la sección 6.2.4). Las temperaturas comunes de vertido para el hierro colado son alrededor de 1 400 ºC (2 500 ºF), lo que depende de su composición.
Son varias las características de los fundidos de acero que hacen benéfico el esfuerzo de resolver estos problemas. La resistencia a la tensión es mayor que la de la mayoría de metales para fundición, y es de 410 MPa (60 000 lb/in2 ), aproximadamente. Los fundidos de acero tienen mejor tenacidad que la mayor parte de otras aleaciones fundidas. Las propiedades de los fundidos de acero son isotrópicas; su resistencia es virtualmente la misma en todas direcciones. Por el contrario, las piezas conformadas mecánicamente (por ejemplo, rolado, forjado) presentan propiedades que varían con la dirección. En función de los requerimientos del producto, puede ser deseable que el comportamiento de un material sea isotrópico. Otra ventaja de los fundidos de acero es la facilidad con que se sueldan. Se sueldan sin que haya pérdida significativa de su resistencia, para reparar el fundido o para fabricar estructuras con otros componentes de acero.
Aleaciones no ferrosas de fundición Los metales no ferrosos para fundición incluyen aleaciones de aluminio, magnesio, cobre, estaño, zinc, níquel y titanio (véase la sección 6.3). Las aleaciones de aluminio por lo general se consideran muy susceptibles de fundirse. El punto de fusión del aluminio puro es de 660 ºC (1 220 ºF), por lo que las temperaturas de vertido de las aleaciones fundidas de aluminio son bajas en comparación con el hierro colado y el acero. Sus propiedades las hacen atractivas para los fundidos: poco peso, rango amplio de propiedades de resistencia que se logran por medio de tratamiento térmico y facilidad de maquinado. Las aleaciones de magnesio son las más ligeras de todos los metales para fundición. Otras propiedades incluyen resistencia a la corrosión, así como buenas resistencias a peso y rigidez a peso.
Las aleaciones de cobre incluyen bronce, latón y aluminio-bronce. Las propiedades que los hacen atractivos son la resistencia a la corrosión, apariencia atractiva y buenas cualidades para servir como boquillas. El costo elevado del cobre es una limitación en el uso de sus aleaciones. Las aplicaciones incluyen juntas para tubos, aspas de propelas marinas, componentes de bombas y joyería.
El estaño tiene el punto de fusión más bajo de los metales para fundición. Las aleaciones basadas en estaño por lo general son fáciles de fundir. Tiene buena resistencia a la corrosión pero mala resistencia mecánica, lo que limita sus aplicaciones a jarras de peltre y productos similares que no requieren mucha resistencia. Las aleaciones de zinc se emplean comúnmente en la fundición con troquel. El zinc tiene un punto de fusión bajo y buena fluidez, lo que lo hace muy susceptible de ser fundido. Su principal desventaja es que tiene poca resistencia al agrietamiento, por lo que sus fundidos no pueden sujetarse a esfuerzos grandes prolongados.
Las aleaciones de níquel tienen buena resistencia al calor y a la corrosión, lo que las hace apropiadas para aplicaciones de temperaturas altas tales como motores a chorro y componentes de cohetes, escudos de calor y otros productos similares. Las aleaciones de níquel también tienen un punto de fusión alto y no son fáciles de fundir. Las aleaciones de titanio para fundición son resistentes a la corrosión y poseen razones elevadas de resistencia a peso. Sin embargo, el titanio tiene un punto de fusión alto, poca fluidez y propensión a oxidarse a temperaturas elevadas. Estas propiedades hacen difícil fundirlo, a él y a sus aleaciones.
CONSIDERACIONES SOBRE EL DISEÑO DEL PRODUCTO
Si el diseñador del producto elige a la fundición como el proceso de manufactura principal de cierto componente, entonces deben seguirse ciertos lineamientos para facilitar la producción de la pieza y evitar muchos de los defectos que se enumeran en la sección 11.5. A continuación se presentan algunos de los lineamientos importantes y consideraciones para la fundición.- Sencillez geométrica. Aunque la fundición es un proceso que puede usarse para producir piezas de forma compleja, la simplificación del diseño de ésta mejorará su facilidad para fundirse. Evitar complejidades innecesarias simplifica la fabricación del molde, reduce la necesidad de núcleos y mejora la resistencia del fundido.
- Esquinas. Deben evitarse las esquinas y ángulos agudos, porque son fuentes de concen tración de esfuerzos y ocasionan agrietamientos calientes y fisuras en el fundido. Deben diseñarse biseles generosos para las esquinas internas, y las aristas agudas deben suavizarse.
- Espesores de sección. Los espesores de la sección deben ser uniformes a fin de evitar cavidades por fugas. Las secciones gruesas crean puntos calientes en el fundido, debido a que un volumen mayor requiere más tiempo para solidificarse y enfriarse. Éstas son ubicaciones probables de las cavidades por fuga. La figura 11.24 ilustra el problema y ofrece algunas soluciones posibles.
- Inclinación. Las secciones de la pieza que se proyectan en el interior del molde deben tener una inclinación o desviación, como se define en la figura 11.25. En la fundición con moldes desechables, el propósito de esa inclinación es ayudar a extraer del molde la pieza. Debe permitirse desviaciones similares si se emplean núcleos sólidos en el proceso de fundido. Para la fundición con moldes de arena la inclinación que se requiere necesita ser de sólo 1º, y de 2º a 3º para procesos con moldes permanentes.
- Uso de núcleos. Ciertos cambios pequeños en el diseño de la pieza reducen la necesidad de utilizar núcleos, como se ilustra en la figura 11.25.
- Tolerancias dimensionales. Hay diferencias significativas en la exactitud dimensional que puede alcanzarse en los fundidos, lo que depende del proceso que se utilice. En la tabla 11.2 se presenta una recopilación de tolerancias comunes para piezas con diferentes procesos y metales de fundición.
- Acabado de las superficies. La rugosidad superficial común que se logra en la fundición con arena es de alrededor de 6 µm (250 m-in). De manera similar, con los moldes de cascarón se obtiene malos acabados, en tanto que los moldes de yeso y la fundición por revestimiento producen valores mucho mejores de rugosidad: 0.75 µm (30 m-in). Entre los procesos con molde permanente es notable la fundición con troquel debido a los buenos acabados de superficie que produce, alrededor de 1 µm (40 m-in).
- Tolerancias de maquinado. En muchos procesos de fundición las tolerancias que pueden alcanzarse son insuficientes para satisfacer las necesidades de funcionamiento en muchas aplicaciones. La fundición con arena es el ejemplo más notable de esta deficiencia. En estos casos, deben maquinarse piezas del fundido para darles las dimensiones requeridas. Casi todos los fundidos con arena deben maquinarse hasta cierto grado a fin de que la pieza sea funcional. Por tanto, en ésta se deja material adicional, llamado tolerancia de maquinado, para maquinar esas superficies donde sea necesario. Las tolerancias comunes de maquinado para fundidos con arena varían entre 1.5 mm y 3 mm (1/16 in y ¼ in).
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