Universidad Tecnolgica De Panam

Facultad De Ingeniera Electromecnica

Ciencias de los Materiales I

Lab #3

Fundicin de Estao

Profesora:

Dra. Nacar Marn

Instructora de Laboratorio:

Ammie de la Cruz

Estudiantes:

Hoodmy Samudio 8-854-604

Jos Chang Leung 8-848-2398

Ricardo De Levante 6-716-1027

Fecha: 3/ Nov /14

Introduccin a la Fundicin

En el Laboratorio #3 se estar laborando el proceso

de fundicin con un material dctil y maleable, el

estao. Dicho estao se requiere que tenga el menor

porcentaje de plomo para cuestiones de salud; sin

embargo se necesitar una temperatura mayor en

comparacin con una aleacin de estao y plomo. Para

medida de seguridad, el uso de bata, lentes de

proteccin y gafas es sumamente vital para proceder al

experimento.

Marco Terico

La fundicin lleva ms de 5000 aos de historia la

cual viene evolucionado a travs de los siglos. Para

definir el concepto fundicin podemos decir, es un

proceso en verter (derramar) un metal fundido en una

cavidad, en este caso un molde, donde debemos enfriar

a temperatura ambiente y en un lapso de tiempo se

endurece para formar una pieza. El metal fundido se

calienta en un horno u otro tipo de calefactor

calentando el material hasta llegar su punto de fusin.

Un punto de fusin es un punto en donde la

temperatura en la cual una materia que se halla en

estado slido pasa a estar en estado lquido. Para el

estao que se utilizar en el experimento segn la

tabla peridica tiene un punto de fusin de 231.9 C.

En la industria podemos encontrar diferentes tipos de

horno para la fundicin tales como: horno de

resistencia, horno cpula, horno de reverbero, la

famosa horno de induccin, horno de solera refractaria,

y el horno elctrico, tipo mufla lo cual se estar usando

para el experimento.

Lista de Materiales

1 o ms carretes de estao de soldadura, preferible

sin plomo (cantidad depende del % del estao)

1 molde permanente

2 crisoles

1 cuchara de acero

1 varilla de acero

1 prensa pequea

Horno Elctrico (tipo

mufla)

Pinzas

Bata de laboratorio

Lentes de Seguridad

Guantes

Placa de Cermica

Cronmetro

Termopar

Material Refractario

(carbn)

Procedimiento

1. Cortar varios pedazos de estaos y luego introducirlo en el

crisol.

2. Precalentar el horno hasta 150 C para poder introducir el

crisol.

3. Cuando el estao llega a su punto de fusin (239.1C) se

debe tener el horno en temperatura constante a 300 C por

20 minutos.

4. Durante la fundicin habr

residuos que fueron parte de la

aleacin con el estao. Con la

varilla se verifica si se encuentra la

presencia de residuos y con la

cuchara se extrae todo el material

flotante.

5. Dependiendo el tipo de molde y la pieza, se va aadiendo

ms piezas de estaos al crisol y repetir nuevamente desde

punto 3.

6. Rayar la superficie interna del molde con el carbono.

7. Con todo el estao fundido, con la pinza se saca el crisol

del horno.

8. Verter todo el estao en el molde a movimiento constante.

9. Dejar enfriar a temperatura ambiente por 10 minutos y

tomar el termopar para registrar las temperaturas.

10. Con cuidado se abre el molde y se saca la pieza.

Anlisis de Datos

Los datos a continuacin fueron recaudados durante los 20

minutos que fue fundido el estao en el horno.

Tiempo [min] Temperatura [C ]

0 150

2 180

4 250

6 275

8 290

10 300

12 302

14 305

16 300

18 298

20 300

CALENTAMIENTO

Tabla 1. Temperatura tomada durante la fundicin del estao. Esta temperatura se midi en la galga del horno.

Debemos recordar que el material utilizado era una aleacin

de estao y plomo por lo que buscamos en la literatura un

diagrama de fase de esta mezcla. Encontramos lo siguiente.

Ilustracin 1. Diagrama de fase para la mezcla Sn-Pb. [1]

Existen dos aleaciones substitucionales para esta mezcla,

estas son alfa y beta. Dependiendo de la temperatura en que

se encuentre la mezcla podemos determinar en qu regin se

encuentra. Tambin es necesario conocer la composicin de

la mezcla. El fabricante del material lo marc como 60-40 y

usaremos esto. Iniciando a temperatura ambiente en la lnea

de 60% y subiendo verticalmente conforme se calienta la

mezcla. Vemos que a la temperatura de 183C se inicia la

formacin de la aleacin alfa. Conforme sube la temperatura

Grfico 1. Calentamiento del estao dentro del horno.

la composicin de la aleacin alfa y liquida vara. A 200C,

por ejemplo, se espera que la composicin de la mezcla sea

aproximadamente 18% alfa slido y el resto lquido. En el

grfico 1 esto parece ser evidenciado por la curva que sube

en lo que la composicin de la mezcla se vuelve

completamente lquida. Una vez llegado a esta fase se observa

un fenmeno distinto. La temperatura se estabiliza cerca del

punto de fusin del plomo, en lo que el plomo slido entre en

equilibrio trmico con el plomo lquido y se realiza el cambio

de fase. Esto se observa al final del grfico 1 donde la

temperatura es estable.

Posteriormente durante el enfriamiento, con un termopar

tomamos las temperaturas por 10 minutos.

Tiempo [min] Temperatura [C ]

0 165

1 131.1

2 106.5

3 101.4

4 96.1

5 76.4

6 70.9

7 67.7

8 65.2

9 63.6

10 62.1

ENFRIAMIENTO

Tabla 2. Temperatura de enfriamiento de la mezcla tomada con un termopar.

Grfico 2. Enfriamiento de la mezcla.

Podemos analizar este grfico recordando la ilustracin 1.

Debe notarse que no se tienen datos desde la temperatura

a la que sali la mezcla del horno por lo que se ha perdido

algo de informacin de la curva den enfriamiento, no

obstante se realizar el anlisis con la informacin a mano.

Traeremos a colacin la siguiente imagen, que es una

representacin burda del enfriamiento de la mezcla, que se

puede encontrar en la literatura.

La curva mostrada en la ilustracin 2 depende de la

composicin de la mezcla, segn lo visto en la ilustracin 1.

Los datos tomados en el laboratorio ya pasaron por la

temperatura de enfriamiento slido (183C) por tanto estamos

en la regin de mezcla enfrindose. Si se tuvieran datos del

resto del proceso se debera poder observar la meseta en el

grfico 2, cmo se observe en el equilibrio de interface en el

grfico 1.

Ilustracin 2. Enfriamiento de la mezcla de estao-plomo al 60%. [3]

Preguntas

1) Usted debera elaborar la siguiente pieza cual sera el

proceso de fundicin ms eficiente, explique su

respuesta.

Si se quiere elaborar una sola pieza elegiramos molde de cascara, porque este tipo de funcin se utilizara para piezas que requieren alta precisin mecnica, pero esto es

para molde desechable. Si queremos producir en masa elegimos fundicin de molde permanente de presin ya que igual logra un gran acabado y se puede producir en grandes cantidades sin problemas.

9

3) Investigue el proceso de fundicin para un molde

desechable: molde de cascara, molde de yeso y molde

cermico; para un molde permanente: fundicin hueca,

fundicin a presin, centrifuga y a presin en matriz.

Con esta informacin, evalu, cul sera el proceso de

fundicin apropiado al por mayor para la pieza realizada

en el laboratorio. Explique su respuesta.

Fundicin en molde de yeso [4]

Fundicin en molde de yeso es bsicamente un proceso parecido al de arena, solo que se usa yeso en vez de arena, sin embargo, se utiliza solo para materiales ferrosos. Se utiliza para piezas de

fundicin bien pequeas hasta bien grandes. Toma menos de una semana para prepararse. Las piezas que se hacer regularmente son componentes de bloqueo, engranajes, vlvulas, accesorios, herramientas y adornos.

Este tipo de funcin se utiliza cuando queremos algo con un buen acabado en la superficie y una buena precisin. Debido a que el

yeso tiene una baja conductividad trmica y capacidad calorfica y bueno el metal se enfra ms lento que en molde de arena, lo que permite que el metal de relleno de las secciones transversales delgadas; la seccin transversal mnima posible es de 0,6 mm. Esto

da como resultado una pieza de fundicin cerca de forma neta, lo cual puede ser una ventaja de costos en piezas complejas. Tambin produce un mnimo de material de chatarra. La principal desventaja del proceso es que slo se puede utilizar

con temperatura materiales no ferrosos de fusin ms bajos, tales como aluminio, cobre, magnesio y zinc.

Fundicin en molde de cascara

Fundicin en cascara es mtodo en que se usa una cascara

hecho de arena que se mantiene uno por otro elemento. La

superficie de la cavidad de un molde en cascarn es ms suave

que la del molde convencional de arena verde, y esta suavidad

permite un flujo ms fcil durante el vertido del metal lquido

y un acabado mejor de la superficie del fundido final. En la

mayora de las veces es tan bueno el acabado que no requiere

de maquinaria para arreglar algo. Particularmente el molde no

es fuerte y esto es bueno para evitar la rugosidad y

agrietamiento cuando est ocurriendo la fundicin. Bueno

tenemos como desventaja que el metal es ms caro que otro

mtodo que es con concha que es mejor para cuando son

pequeas piezas y en grandes cantidades, pero bueno se puede

usar para grandes producciones quien dijo que no. es muy

econmico para cantidades grandes. Y sirve para bien para

pesos menos que veinte libras. Algunos ejemplos de piezas

fabricadas con el empleo de moldeo con concha incluyen

engranajes, cuerpos de vlvulas, boquillas y rboles de levas.

Fundicin en molde de cermica

Bueno ahora veremos fundicin en cermica, como su nombre lo dice es obvio que usa cermica. Es una combinacin interesante

de molde de yeso que ya lo vimos y fundicin de precisin. Hay dos tipos de fundicin molde de cermica: el proceso de Shaw y el proceso de Unicast.

Bueno esto se usa como mayor uso para herramientas como, matrices de forja, sino tambin de moldeo por inyeccin muere, mueren moldes de fundicin, moldes de vidrio, moldes y matrices de estampacin, extrusin. Estas cosas no las entiendo bien pero

dice que es su uso y las puse porque bueno es la informacin que encontr.

Veremos este proceso que se llama Shaw, tambin conocido como el proceso de Osborn-Shaw, no s porque se llama as pero

as le quisieron llamar utiliza una mezcla de agregado refractario, hidrolizado silicato de etilo, el alcohol, y un agente gelificante para crear un molde. Esta buena mezcla suspendida se vierte en un matraz (instrumento de laboratorio por si no sabe)

ligeramente cnica (bueno que es tirando a cono) y se utiliza una forma reutilizable. La suspensin se endurece muy rpidamente a un estado tiempo de goma. Despus se retira el matraz y la forma. Bueno despus se usa un fogn para encender el molde,

lo que hace que la mayor parte de los compuestos voltiles para quemar-apagado y la formacin de microcrazes

cermica. Ocurren grietas que son importantes, ya que permiten

que los gases escapen al tiempo que evita que el metal fluya a travs, sino que tambin facilitan la expansin y contraccin trmica durante la solidificacin y la contraccin. Despus de la quemazn, el molde se cocina bien rico a 1800 F para eliminar

los voltiles restantes. Antes de verter el metal, el molde es pre-calentado para controlar la contraccin.

Moldes permanentes [5]

Los moldes permanentes se les da una calentadita con anticipacin para prepararlos, y se roca donde se va hacer lo que

se quiere con recubrimientos. La calentadita facilita el flujo del metal a travs del sistema de vaciado y de la cavidad. Los recubrimientos ayudan a echar fuera el calor y a lubricar la superficie del molde para desunir la fundicin (como hicimos en

el laboratorio que utilizamos carbn). Tan pronto como solidifica el metal, el molde se abre y se remueve la fundicin. Bueno algunas ventajas son buen acabado, bueno ahora todos los procesos de fundicin dan un buena acabado. La solidificacin

es ms rpida a causa una estructura de grano ms fino, de esta forma pueden producirse fundiciones ms resistentes. El proceso est limitado generalmente a metales de bajo punto de fusin.

Fundicin hueca

En esta funcin se forma un huevo cuando ser invierte el molde,

despus que el metal se ha endurecido ms o menos sobre la superficie del molde, se drena el lquido al centro no s cmo ocurre bien pero as dice. La solidificacin empieza en las paredes y despus se enfra progresivamente con el tiempo hacia la parte

media de la fundicin y el espesor de esto se controla por el tiempo que transcurre antes de drenar. La fundicin hueca se usa para hacer estatuas, pedestales de lmparas y juguetes a partir de metales de bajo punto de fusin como plomo, zinc y

estao. En estos artculos lo importante es la apariencia exterior,

pero la resistencia y la geometra interior de la fundicin no son relevantes.

Fundicin a presin

En la fundicin a presin a varios tipos aqu les mencionare dos porque si no esto ser muy extenso: fundicin a baja presin, fundicin con molde permanente al vaci.

Fundicin a baja presin en la fundicin por molde permanente hueca y otros su principio es el flujo por gravedad.

En la fundicin a baja presin, el metal liquido lo echamos en la cavidad a cierta presin, se aplica desde debajo de manera que el metal fluye hacia arriba, de manera que el metal fluye hacia arriba, La ventaja de este mtodo sobre lo que siempre

se utiliza es que se usa un molde de metal limpio desde el centro del crisol, en cambio de un metal que ha sido expuesto al aire. Lo anterior reduce la porosidad producida por el gas y

los defectos generados por la oxidacin, y se mejoran las propiedades mecnicas.

Fundicin con molde permanente al vaco La fundicin con molde permanente al vaci es una variante de la fundicin a baja presin en la cual se usa vaco para introducir el metal fundido en la cavidad del molde. La

configuracin general del proceso es similar a la operacin de fundicin a baja presin. La diferencia es que se usa la presin reducida del vaco en el molde para atraer el metal lquido a la cavidad, en lugar de forzarlo

por una presin positiva de aire desde abajo. Los beneficios de la tcnica al vaco, en relacin con la fundicin a baja presin, son que se reduce la porosidad

del aire y los efectos relacionados, obteniendo una mayor

resistencia del producto de fundicin.

Fundicin centrifuga [6]

Esta fundicin hace haciendo girar el molde en vertical o horizontalmente con lo cual la fuerza centrfuga obliga

al metal fundido a rellenar todas las cavidades del molde.

Esto se usa ms para hacer piezas de revolucin, como como tubos. Pero tambin se pude moldear por centrifugacin piezas extraas moldes simtricos con relacin a un eje de giro, cuyos canales de alimentacin

parten del centro del molde, a los que llega el metal por el bebedero colocado en el eje. Como siempre en entre proceso tenemos algunas ventajas e inconvenientes que son los siguientes: La

presin a que somete al metal la fuerza centrfuga produce el mismo efecto que si aumentase su fluidez y, por tanto, pueden colarse espesores ms delgados que colando por gravedad. Las piezas se obtienen ms sanas,

con menos grietas y sopladuras.

La fundicin centrifugada se usa mucho se emplea para

fabricacin de tubos de hierro fundido de grandes dimensiones, para conduccin de fluidos, para la colada de camisas de bronce de grandes cojinetes y para el

moldeado de piezas de aleacin ligera.

Fundicin a presin en Matrices

La funcin de moldes permanentes a presin de matrices

son metlicos y bueno son parecidos a los moldes metlicos utilizados para la fundicin en coquilla con colada por gravedad, la elevada presin que deben resistir las matrices, exige que los materiales de detalles

en su construccin sean completamente distintos que para las coquillas.

Las matrices de fundicin a presin constan generalmente de 4 elementos principales: Matriz fija de cubierta

Matriz mvil de eyeccin

Placa de eyeccin

Machos

Las matrices para la fundicin a presin se hacen de acero, para que resistan las grandes presiones de inyeccin, los esfuerzos producidos por las contracciones y dilataciones de los metales y la friccin de los

materiales fundidos. Las piezas principales que forman las matrices son usadas y revenidas una vez hechas para conseguir la mxima resistencia mecnica y suficiente fuerza superficial para soportar la friccin de los metales

fundidos.

La fundicin a presin se emplea para la fabricacin de piezas en grandes series, para un gran nmero de construcciones industriales. Piezas de automocin como cuerpos de carburadores, de bombas, volantes e incluso

bloques de motores. Piezas para pequeas mquinas de uso domstico, como mquinas de coser, mquinas de escribir, aspiradores de polvo.

Tambin se funden a presin carcasas para motores elctricos, herramientas, piezas de armas, de cerrajera y

juguetes. Aunque las piezas fundidas por inyeccin tienen un excelente aspecto, solamente con la supresin de los bebederos y rebabas, si las tuviera, pueden recibir un acabado posterior protector o decorativo, como

pintura, electrodeposicin, mecanizado, etc.

El Proceso que hemos elegido es el de molde permanente

(matriz) en el que se inyecta a presin elevada metal fundido

a la cavidad del molde.

Las ventajas de la fundicin a presin son:

1. Excelente acabado superficial

2. El enfriamiento rpido proporciona un tamao pequeo

del grano y buenas caractersticas de resistencia

mecnica en la pieza fundida.

3. Se pueden tener tolerancias estrechas de 0.1 mm para

piezas pequeas.

4. Son posibles altos niveles de produccin

5. Es econmica para cantidades grandes de produccin.

3) Realice una comparacin entre la fundicin en un

molde permanente y un molde desechable.

Fundicin en un Molde Permanente

La fundicin en molde permanente usa un molde

metlico construido en dos secciones que estn

diseadas para cerrar y abrir con precisin y

facilidad. Los moldes se hacen comnmente de acero

o hierro fundido. Los metales que se funden

comnmente en molde permanente son: aluminio,

magnesio, aleaciones de cobre y hierro fundido.

Puede usarse muchas veces para producir

fundiciones en cantidad, es decir, tienen ciertas

ventajas econmicas en operaciones de alta

produccin. Est hecho de un metal o algunas veces

de un refractario cermico, que puede soportar las

altas temperaturas de las operaciones de fundicin.

En este caso, el molde permanente consta de dos o

ms secciones que pueden abrirse para permitir la

remocin de la parte terminada. La fundicin en

dados es el proceso ms conocido de este grupo

(Cuando se inyecta el metal fundido en la cavidad del

molde a alta presin, las ms comunes son de 7-350

MPa, la presin se mantiene durante la solidificacin,

posteriormente se abre el molde para remover la

pieza).

Fundicin en un Molde Desechable (No Permanente)

El molde donde se solidifica el metal debe ser

destruido para mover la fundicin. Estos moldes se

hacen de arena, yeso o materiales similares que

tienen su forma, usando aglomerantes de varias

clases. La fundicin en arena es el ejemplo ms

prominente. En la fundicin de arena se vaca metal

lquido dentro del molde hecho de arena. Despus de

que el metal se endurece, se sacrifica el molde a fin

de recuperar la fundicin.

4) Realice una comparacin entre la fundicin en un

molde permanente y un molde desechable.

Fundicin en un Molde Permanente

La fundicin en molde permanente usa un molde

metlico construido en dos secciones que estn

diseadas para cerrar y abrir con precisin y

facilidad. Los moldes se hacen comnmente de acero

o hierro fundido. Los metales que se funden

comnmente en molde permanente son: aluminio,

magnesio, aleaciones de cobre y hierro fundido.

Puede usarse muchas veces para producir

fundiciones en cantidad, es decir, tienen ciertas

ventajas econmicas en operaciones de alta

produccin. Est hecho de un metal o algunas veces

de un refractario cermico, que puede soportar las

altas temperaturas de las operaciones de fundicin.

En este caso, el molde permanente consta de dos o

ms secciones que pueden abrirse para permitir la

remocin de la parte terminada. La fundicin en

dados es el proceso ms conocido de este grupo

(Cuando se inyecta el metal fundido en la cavidad del

molde a alta presin, las ms comunes son de 7-350

MPa, la presin se mantiene durante la solidificacin,

posteriormente se abre el molde para remover la

pieza).

Fundicin en un Molde Desechable (No Permanente)

El molde donde se solidifica el metal debe ser

destruido para mover la fundicin. Estos moldes se

hacen de arena, yeso o materiales similares que

tienen su forma, usando aglomerantes de varias

clases. La fundicin en arena es el ejemplo ms

prominente. En la fundicin de arena se vaca metal

lquido dentro del molde hecho de arena. Despus de

que el metal se endurece, se sacrifica el molde a fin

de recuperar la fundicin.

5) Explique si el proceso de fundicin realizado en el

laboratorio es eficiente en comparacin con el

proceso de fundicin de vaco.

La empresa Buhler define el proceso de fundicin al

vaco que ellos realizan de la siguiente forma:

Ilustracin 3. Proceso de fundicin al vaco segn Buhler. [2]

Comparando el proceso descrito en la imagen con

el procedimiento realizado en el laboratorio podemos

encontrar las siguientes deficiencias.

El fundido es vertido a mano as que no se controla la

velocidad de vertido del fundido. Lo ms grave que

puede causar esto es diferencias en los tiempos de

enfriamiento que producirn fisuras en la pieza final.

El fundido es vertido en un molde que est sucio y con

aire lo que significa que aparte del aire que le entra al

metal durante el vertido, el molde no impide la

formacin de burbujas de aire en su superficie. O el

mezclado de las mismas con el vertido.

No hay control de la presin a la cual se somete la

pieza en el molde. Debido a que el molde no se dise

para soportar presiones tampoco se puede someter la

pieza a las mismas.

6) Proponga un proceso de fundicin para la

realizacin de la pieza final (que sea ms

eficiente), donde utilizara los materiales que hay

en el laboratorio y realizando un cambio en el

molde.

Considerando que solamente se puede realizar un

cambio en el molde, se propone la siguiente

modificacin:

Se debe de perforar el molde para crear una cmara de

alimentacin a la cual se la aadir un pistn. La

cmara de alimentacin tendr un orificio final por el

cual el fundido entra al molde y un orificio inicial

despus del pistn por donde entra el fundido. El pistn

se puede controlar con un simple sistema neumtico

para agregar fundido al molde a velocidad constante.

Aunque todava existir el problema del molde lleno de

aire y del control de presin al que se aplica el molde,

las modificaciones especificadas deben ser capaces de

resolver el problema de la variacin de vaciado y

tambin de las burbujas de aire en el vertido.

Recomendaciones

Se debe tener en presencia un extintor en el rea

donde se realiza el experimento para evitar

incendios y desastres desfavorables.

Preferiblemente trabajar en un lugar amplio debido

a la expulsin del humo del estao.

Tener varias salidas de emergencia en caso de

incendio.

Estar atento a la lectura de la temperatura.

Referencias

[1] B. S. H. Royce, Phase Diagrams, November 2001. [En lnea]. Available: http://lpc1.clpccd.cc.ca.us/lpc/eng/course_websites/Engineering46/09/09mae_24.htm.

[2] Buhler Group, Proceso de fundicin al vaco, 2014. [En lnea]. Available:

http://www.buhlergroup.com/europe/es/tecnologias-de-procesos/fundicion-a-

presion/proceso-de-fundicion-al-vacio.htm#.VFUYv_mG9Z4. [ltimo acceso: 1 Nov 2014].

[3] J. Clark, Liquid-Solid Phase Diagrams: Tin and Lead, UC Davis ChemWiki, [En lnea].

Available:

http://chemwiki.ucdavis.edu/Physical_Chemistry/Equilibria/Phase_Equilibria/Liquid-

Solid_Phase_Diagrams%3A_Tin_and_Lead. [ltimo acceso: 2 November 2014].

[4] M. P. Groover, Fundamentos de manufactura moderna: materiales, procesos y sistemas,

Mexico: Pearson Educacin, 1997.

[5] A. R. Bagur, Cursos de Procesos de Manufactura, Universidad La Salle, [En lnea]. Available:

http://www.aprendizaje.com.mx/Curso/Proceso1/Temario1_V.html. [ltimo acceso: 2

November 2014].

[6] LinkedIn Corporation, 03 procesos de fundicin, SLideShare, 6 December 2012. [En lnea].

Available: http://es.slideshare.net/Johnnypap/03-procesos-de-fundicin-15512341. [ltimo

acceso: 2 November 2014].

[7] A. De Le Cruz, Fundicin de Metales, Universidad Tecnolgica de Panam, Panama, 2014.

[8] Lenntech, Estao-Sn, Lenntech, 2014. [En lnea]. Available:

http://www.lenntech.es/periodica/elementos/sn.htm. [ltimo acceso: 2 November 2014].