RESUMENINTRODUCCIONPROCESOS DE FUNDICIONCalentamiento y
vaciadoPara desarrollar la operacin de fundicin, el metal se
calienta a temperatura ligeramente mayor que su punto de fusin en
un horno. La energa calorfica requerida es la suma del calor para
elevar la temperatura hasta el punto de fusin, el calor de fusin
para convertir el metal de solido a lquido y el calor para elevar
al metal fundido a la temperatura de vaciado.Despus del
calentamiento, el material est listo para vaciarse. La introduccin
del metal fundido en el molde y su flujo dentro del sistema de
vaciado y de la cavidad es un paso crtico en el proceso. Para que
este paso tenga xito, el metal debe fluir antes de solidificarse a
travs de todas las regiones del molde, los factores que afectan el
vaciado son la temperatura y velocidad de vaciado y la
turbulencia.La temperatura de Vaciado es la temperatura del metal
fundido al momento de su introduccin en el molde. Lo importante aqu
es la diferencia entre la temperatura de vaciado y la temperatura a
la que empieza la solidificacin, esta diferencia se llama
sobrecalentamiento. La velocidad de vaciado se refiere a la
velocidad volumtrica a la que se vierte el metal fundido dentro del
molde. Si es muy baja, el metal se enfra antes de llenar la
cavidad. Si es excesiva da paso a turbulencia de flujo, la cual se
caracteriza por variaciones errticas de la velocidad a travs del
fluido, cuando este se agita, genera corrientes irregulares en
lugar de luir en forma laminar, el flujo turbulento se puede evitar
durante el vaciado. [1]Fluidez del metal fundidoLa fluidez es una
capacidad del metal para llenar el molde antes de enfriarse, esta
es inversa a la viscosidad; Los factores que afectan este parmetro
son la temperatura de vaciado, la composicin del metal, la
viscosidad del metal lquido y el calor transferido a los
alrededores. Una temperatura mayor con respecto al punto de
solidificacin del metal, incrementa el tiempo que el metal
permanece liquido permitindole avanzar ms, antes de solidificarse,
esto afecta la penetracin del metal liquido en los espacios
intersticiales entre los granos de arena causando que la superficie
de la fundicin incorpore partculas de arena que la hacen ms rugosa
y abrasiva de lo normal. [1]Solidificacin y enfriamiento Despus de
vaciar el metal fundido en el molde, este se enfra y solidifica. La
solidificacin involucra el regreso del metal fundido al estado
slido. El proceso difiere, dependiendo de si el metal es un
elemento puro o una aleacin. [1]Contraccin[2] En razn a sus
caractersticas de dilatacin trmica, los metales se encogen
(contraen) durante la solidificacin y el enfriamiento. La
contraccin, que causa cambios dimensionales y, algunas veces,
agrietamiento, es resultado de los siguientes eventos Contraccin
liquida del metal fundido al enfriarse antes de su solidificacin
Contraccin del metal durante el cambio de fase de lquido a solido
(contraccin de solidificacin) Contraccin trmica de la fundicin
conforme su temperatura bajas hasta la ambiental[2]Defectos en los
procesos de Fundicin [2]Durante el proceso de fundicin se pueden
presentar varios defectos que pueden ser originados por causas
tales como un mal diseo de las piezas, la mama seleccin de los
materiales o deficiencias de los procesos de fundicin.El que una
pieza presente defectos no solo afectara su forma o apariencia, de
igual forma algunos defectos podran llegar a afectar la estructura
mecnica de la pieza y generar puntos dbiles o concentradores de
esfuerzos. Algunos de los procesos de inspeccin de defectos
utilizan tintas penetrables, para detectar defectos superficiales;
en las pruebas destructivas se escogen muestras de un lote de
produccin y se realizan ensayos que permiten determinar la
presencia y localizacin de cavidades u otros defectos. Algunos
defectos de fundicin son comunes a todos los procesos de fundicin.
A continuacin se mencionan los ms usuales.Proyecciones Metlicas:
Formadas por aletas, rebabas o proyecciones como ondulaciones o
superficies speras.Cavidades: formadas por cavidades redondeadas o
speras internas o expuestas, incluyendo rechupes, sopladuras,
porosidades y cavidades de contraccin.Discontinuidades: Estas estn
formadas por todo tipo de grietas y puntos fros. Si al metal en
solidificacin se le restringe en su libre contraccin, puede ocurrir
agrietamiento y desgarramiento. Aunque estn involucrados muchos
factores en el agrietamiento, un tamao de grano grande y la
presencia de segregados de bajo punto de fusin a lo largo de las
fronteras de grano, incrementa la tendencia de agrietamiento por
calor. El punto frio es una interfaz en una fundicin que carece de
una fusin completa debido a la unin de dos corrientes de metal
liquido provenientes de puertas diferentes.Superficie defectuosa:
Defectos tales como los pliegues, traslapes, capas de arena
adherida y cascarilla de xido.Fundicin incompleta: Son debidas a
fallas de llenado (debidas a una solidificacin prematura), volumen
insuficiente de metal vaciado y fugas (debido a perdida de metal
del molde despus del vaciado). Pueden atribuirse a temperaturas muy
bajas del metal fundido o tiempos muy largos de vaciado.Dimensiones
o formar incorrectas: Se pueden presentar por una inadecuada
tolerancia de contraccin, un error en el montaje del modelo, una
contraccin irregular, un modelo deformado o una fundicin torcida de
la pieza fundida por la liberacin de esfuerzos
residuales.Inclusiones: Se forman durante la fusin, solidificacin y
moldeo. Por lo general, de naturaleza no metlica, se consideran
como perjudiciales porque actan como elevadores de esfuerzo y
reducen la resistencia de la fundicin. Durante la fusin se pueden
formar inclusiones cuando el metal fundido reacciona con el entorno
(Oxidacin), con el material del crisol (cermicas) o el molde
(arena). Reacciones qumicas entre los componentes del metal fundido
pueden producir inclusiones; las escorias y otros materiales
extraos atrapados en el metal fundido, tambin se convierten en
inclusiones. El desmoronamiento de las superficies del molde y del
corazn tambin produce inclusiones, lo que indica la importancia de
la calidad de los moldes.Al referirse especficamente a la fundicin
en arena los principales defectos que se presentan durante el
proceso son: [3]a. Sopladuras: Cuando se forma una cavidad en forma
de pelota causada por gases atrapados, la baja permeabilidad o el
alto contenido de humedad en la arena son las causas generales.b.
Puntos de alfiler: Es un defecto similar a la sopladura que forma
muchas pequeas cavidades en la superficie o ligeramente por debajo
de ella, causado por gas retenido en el metal fundido. c. Cadas de
arena: Provoca una irregularidad en la superficie de la pieza y
resulta por la erosin del molde de arena durante el proceso de
vaciado. d. Costras: Son reas rugosas en la superficie de la
fundicin debidas a la incrustacin de arena y metal. Son causadas
por desprendimientos de la superficie del molde que se descascaran
durante la solidificacin y quedan adheridas a la superficie de la
fundicion.e. Corrimiento del molde: Se evidencia como un escaln en
le plano de particin del molde debido a una mala alineacin de las
dos mitades del molde. f. Corrimiento del corazn: El efecto de la
flotacin del corazn en el metal puede hacer que la posicin del
corazn no sea la adecuada y se genere una variacin de la geometra
final deseada.
Figura #. Caracterizacin de defectos de fundicin. [3]TIPOS DE
HORNOSLos hornos que se usan para fundir metales y sus aleaciones
varan mucho en capacidad y diseo. Varan desde los hornos de crisol
que contienen unos pocos kilogramos de metal a hornos de hogar
abierto de hasta varios centenares de toneladas de capacidad del
horno. El tipo de horno usado para un proceso de fundicin queda
determinado por los siguientes factores: [2] Necesidades de fundir
la aleacin tan rpidamente como sea posible y elevarla a la
temperatura de vaciado requerida. (Ahorro de energa y de tiempo) La
necesidad de mantener tanto la pureza de la carga, como precisin de
su composicin. (Control de calidad) Produccin requerida del
horno.(Productividad y economa) El costo de operacin del horno.
(Productividad y economa) Interaccin entre la carga el combustible
y los productos de la combustin. (Eficiencia): La carga se
encuentra entre el combustible y los productos de la combustin.
(Hornos cubilote). La carga est aislada del combustible pero en
contacto con los productos de la combustin. (Horno hogar abierto
para la fabricacin de acero). La carga esta aislada tanto del
combustible como de los productos de la combustin. (hornos de
crisol calentado por combustin de gas, carbn pulverizado petrleo).
[2][3]HORNOS DE CRISOLTrabajan por combustin con gas, el cual
calienta el crisol de material refractario como grafito que
contiene el material a fundir. En estos hornos se funde el metal,
sin entrar en contacto directo con los gases de combustin Tambin
puede ser calentado usando energa electrica: horno de induccin. El
crisol se apoya sobre la peana que esta hecha tambin en material
refractario y le da la posicin necesaria con respecto a la salida
del gas. Para lograr concentrar el calor alrededor del crisol este
esta contenido entre unas paredes refractarias que generan una
cavidad para el flujo de los gases de combustin. Existen hornos con
crisol mvil o con crisol fijo y hornos de crisol basculante, que se
ilustran en la figura #. La diferencia entre estos es que el crisol
mvil al fundir el metal se levanta y sirve como cuchara de colada.,
los hornos de crisol fijo se deben cucharear para realizar la
fundicin. En el horno de crisol basculante el dispositivo se puede
inclinar para vaciar la carga de metal fundido. [2][3]
Figura #.Tres tipos de horno de crisol: (a) Crisol Movil. (b)
Crisol Estacionario, (c) Crisol Basculante. [1]HORNOS DE
INDUCCIONUn horno de induccin usa corriente alterna a travs de una
bobina que genera un campo magntico en el metal, el resultado de la
corriente inducida causa un rpido calentamiento y la fusin del
metal. Son especialmente tiles en fundidoras ms pequeas y producen
fusin ms pequea de composicin controlada. El campo de fuerza
electromagntica provoca una accin de mezclado en el metal lquido.
Adems, como el metal no esta en contacto directo con ningn elemento
de calefaccin, se puede controlar el ambiente donde tiene lugar la
fusin. El resultado es una fundicin de alta calidad y pureza. Sus
aplicaciones para fundir aleaciones de acero, hierro y
aluminio.Existen dos tipos bsicos. El Horno de induccin sin ncleo,
el cual consiste de un crisol totalmente rodeado de una bobina de
cobre enfriada por agua a travs del cual para la corriente de alta
frecuencia, este tipo de horno tiene excelente caractersticas de
mezcla de aleaciones y para agregar nuevas cargas de metal. El otro
tipo, es el horno de ncleo o de cana, utiliza baja frecuencia y
tiene una bobina que solo rodea una pequea porcin de la unidad, es
particularmente adecuado para calentamientos por encima de la
temperatura normal de fundicin para mejorar la fluidez.
[2]CUBILOTESUn cubilote es un horno cilndrico vertical recubierto
de refractario, como se ilustra en figura #,el cual esta cargado
con capas alternadas de metal, coque y fundente, operan de manera
continua, tienen elevadas velocidades de fusin y producen grandes
cantidades de metal fundido. [2]
Figura #. Esquema de Cubilote para procesos de fundicin.
[2]PROCESOS DE FUNDICIONFundicin en ArenaEsta consiste en vaciar un
metal fundido con sistemas de alimentacin que guan el metal a las
cavidades de en un molde de arena, dejarlo solidificar y romper
despus el molde para remover la fundicin. El proceso general
comienza con la fabricacin del modelo de la pieza a fundir, luego
este se coloca entre la arena para generar una cavidad negativa y
se ubican los sistemas de alimentacin que guan el metal fundido
hacia las cavidades del molde. Una vez formado el molde y los
corazones colocados en su sitio, las dos mitades (moldes superior e
inferior) se cierran, se sujetan y se colocan pesos encima. Esto
ltimo para impedir la separacin de las secciones del molde debida a
la presin ejercida cuando el metal fundido es vaciado en la cavidad
del molde. El diseo de alimentacin es importante para un correcto
vaciado del metal fundido en la cavidad del molde. Debe minimizarse
la turbulencia, permitirse el escape de aire y gases y establecer y
mantenerse los gradientes de temperatura apropiados, a fin de
minimizar la contraccin y la porosidad. Una vez el metal se
solidifica al interior de la cavidad, se destruye el molde y se
extrae la pieza terminada. Posteriormente esta pasa por un proceso
de limpieza e inspeccin, pero en ocasiones requiere un tratamiento
trmico para mejorar sus propiedades metalrgicas. Prcticamente todos
los metales de uso comercial se pueden fundir en arena, aunque la
precisin dimensional no es tan buena como otros procesos de
fundicin tales como la fundicin en modelo consumible (Poliestireno
expandido) y la fundicin por revestimiento tambin llamado a la cera
perdida, sin embargo con este proceso se pueden fundir formas
complicadas como hlices y monoblock, adems es un proceso econmico
para lotes de produccin pequeos y los costos de equipos son mas
bajos.La fundicin en arena permite trabajar metales con altos
puntos de fundicin como el acero y el nquel.
Figura #. Esquema de los pasos de produccin en una operacin
tpica de fundicin en arena. [2]ARENAS La mayor parte de las
operaciones de fundicin en arena usan arena de slice (SiO2). La
arena es econmica y adecuada como material de molde, debido a su
resistencia a altas temperaturas. Son importantes varios factores
en la seleccin de la arena para moldes. La arena con granos finos y
redondos se pueden prensar ms y forma una superficie lisa en el
molde. Aunque la arena de grano fino aumenta la resistencia del
molde, los granos finos tambin reducen la permeabilidad del molde.
Moldes y corazones con buena permeabilidad permiten la fcil salida
de gases y vapores que se presentan durante la fundicin. Para
lograr una forma estable y mejorar la resistencia del molde la
arena se mezcla de forma homognea con bentonita la cual funciona
como aglutinante. A menudo se utilizan arenas de zirconio (ZrSiO4)
y silicato de hierro (Fe2SiO4) debido a su baja dilatacin
trmica.Durante el proceso se tamiza la arena, de tal forma que la
arena ms fina es la que entra en contacto con el modelo y la arena
ms gruesa da el cuerpo al molde. [2]
REFERENCIAS[1] MIKELL.P, GROOVER. Fundamentos de Manufactura
Moderna: Materiales, Procesos y Sistemas. Parte III, Fundicin
moldeo y procesos afines. Fundamentos de la fundicin de metales.
Captulo 12. Pg. 240-253, Procesos de fundicin de materiales.
Captulo 13. Pag. 260-286. Primera Edicin. Editorial Pearson
Prentice Hall. Mxico.[2]KALPAKJIAN.S, SCHMID, S. Manufactura,
ingeniera y tecnologa. Fundamentos de la fundicin de metales.
Captulo 10. Pg. 241-260. Procesos de fundicin de metales. Captulo
11 Pg. 264, 292-294. Cuarta Edicin. Editorial Prentice Hall. Mxico.
2002.[3] Escuela Colombiana de Ingeniera Julio Garavito Laboratorio
de Produccin, FUNDICION, protocolo, Curso de procesos de
Manufactura. Edicin 2008-2. Disponible en la web:
http://www.escuelaing.edu.co/uploads/laboratorios/9627_fundicion.pdf
