FUNDAMENTOS
DE LA FUNDICIÓN DE METALES
La
fundición
Como proceso de producción, se lleva a cabo generalmente en
una fundidora.
Una fundidora es una fábrica equipada para hacer moldes,
fundir y manejar el metal en estado líquido, desempeñar los procesos de
fundición y limpieza de las piezas terminadas.
Los trabajadores que realizan las operaciones de fundición
en estas fábricas se llaman fundidores
En el proceso de fundición el metal fundido fluye por
gravedad u otra fuerza dentro de un molde donde se solidifica y toma la forma
de la cavidad del molde.
El término fundición se aplica también a la parte resultante
de ese proceso.
Es uno de los más antiguos procesos de formado que se
remonta 6 mil años atrás.
El principio de la fundición es simple:
-Se funde el metal
-Se vacía en un molde
-Se deja enfriar
Hay todavía muchos factores y variables que debemos
considerar para lograr una operación exitosa de fundición.
La fundición incluye:
-La fundición de lingotes
-La fundición de formas.
El término lingote se asocia usualmente con las industrias
de metales primarios; describe una fundición grande de forma simple, diseñada
para volver a formarse en procesos subsiguientes como laminado o forjado.
La fundición de formas involucra la producción de piezas
complejas que se aproximan más a la forma final deseada del producto.
Existen diversos métodos para la fundición de formas, lo
cual hace de este proceso uno de los más versátiles en manufactura.
Sus posibilidades y ventajas son los siguientes:
-La fundición se puede usar para crear partes de compleja
geometría, incluyendo formas externas e internas.
-Algunos procesos de fundición pueden producir partes de
forma neta que no requieren operaciones subsecuentes para llenar los requisitos
de la geometría y dimensiones de la parte.
-Se puede usar la fundición para producir partes muy
grandes. Se han fabricado fundiciones que pesan más de 100 toneladas.
-El procesos de fundición puede realizarse en cualquier
metal que pueda calentarse y pasar al estado líquido.
-Algunos métodos de fundición son altamente adaptables a la
producción en masa.
Desventajas asociadas con la fundición y sus diferentes
métodos. Éstas incluyen las limitaciones de algunos procesos en las propiedades
mecánicas como:
-Porosidad
-Baja precisión dimensional
-Acabado deficiente de la superficie
-Problemas ambientales
-Riesgos de seguridad de los trabajadores durante el
procesamiento
Las partes de fundición fluctúan en tamaño, desde pequeños
componentes que pesan solamente unas cuantas onzas hasta grandes productos de
más de 100 toneladas. La lista incluye coronas dentales, joyería, estatuas,
estufas de hierro fundido, bloques y cabezas para motores automotrices, bases
para máquinas, ruedas para ferrocarril, sartenes para freír, tubos y carcasas
para bombas.
Se puede fundir todas las variedades de metales ferrosos y
no ferrosos.
Metales
ferrosos
Son aquellos que están basados en el hierro, entre los de
mayor importancia son el hierro y el carbono.
Metales
no ferrosos
Todos los demás metales.
Los más importantes son
7: cobre, zinc, plomo, estaño, aluminio, níquel y manganeso.
Los metales no ferrosos
se clasifican en tres grupos:
1.
Pesados: son aquellos cuya densidad es igual
o mayor de 5 kg/dm³. Estaño (Sn):, Cobre:, Zinc (Zn):, Plomo (Pb):, Cromo
(Cr):, Níquel (Ni), Wolframio (W), Cobalto (Co)
2. Ligeros:
su densidad está comprendida entre 2 y 5 kg/dm³. Magnesio
(Mg)
3. Ultraligeros:
su densidad es menor de 2 kg/dm³. Aluminio
(Al)
La fundición también
puede utilizarse en otros materiales como polímeros y cerámicos.
Procesos de fundición
La revisión de este
proceso empieza con el molde.
El molde contiene una
cavidad cuya forma geométrica determina la forma de la parte a fundir.
La cavidad debe
diseñarse de forma y tamaño ligeramente sobredimensionado, esto permitirá la
contracción del metal durante la solidificación y enfriamiento.
Cada metal sufre
diferente porcentaje de contracción, por tanto, si la precisión dimensional es
crítica, la cavidad debe diseñarse para el metal particular que se va a fundir.
Los moldes se hacen de
varios materiales que incluyen arena, yeso, cerámica y metal.
Los procesos de
fundición se clasifican frecuentemente de acuerdo a los diferentes tipos de
moldes.
En una operación de fundición, se
calienta primero el metal a temperatura lo suficientemente alta para
transformarlo completamente al estado líquido. Después se vierte directamente
en la cavidad del molde. En un molde abierto, figura 12.1 (a), el metal líquido
se vacía simplemente hasta llenar la cavidad abierta. En un molde cerrado,
figura 12.1 (b), una vía de paso llamada sistema de vaciado que permite el
flujo del metal fundido desde fuera del molde hasta la cavidad. El molde
cerrado es la forma más importante de producción en operaciones de fundición.
Una vez que la fundición
se ha enfriado lo suficiente, se remueve del molde. Pueden necesitarse
procedimientos posteriores, dependiendo del método de fundición y del metal que
se usa. Entre éstos se encuentra el desbaste del metal excedente de la
fundición, la limpieza de la superficie, la inspección del producto y el tratamiento
térmico para mejorar sus propiedades. Además, puede requerirse maquinado para
lograr tolerancias estrechas en ciertas partes de la pieza y para remover la
superficie fundida y la microestructura metalúrgica asociada.
Los procesos de
fundición se dividen en dos grandes categorías de acuerdo al tipo de molde que
se usa:
1. Fundición
con molde desechable
En la
fundición con molde desechable (o no permanente), el molde donde se solidifica
el metal debe de ser destruido para remover la fundición.
Estos
moldes se hacen de arena, yeso o materiales similares que mantienen su forma,
usando aglomerantes de varias clases.
La
fundición en arena es el ejemplo más prominente de los procesos de moldeo
consumible.
En la
fundición de arena se vacía metal líquido dentro del molde hecho de arena.
Después de que el metal se endurece, se sacrifica el molde a fin de recuperar
la fundición.
La
mazarota es una reserva en el molde que sirve como fuente de metal líquido para
compensar la contracción de la fundición durante la solidificación. A fin de
que la mazarota cumpla adecuadamente con su función, debe diseñarse de tal
forma que solidifique después de la fundición principal
2. Procesos
de fundición con molde permanente
Un molde permanente
puede usarse muchas veces para producir fundiciones en cantidad.
Está hecho de un metal,
o algunas veces de refractario cerámico, que puede soportar las altas
temperaturas de las operaciones de fundición. En este caso, el molde permanente
consta de dos o más secciones que pueden abrirse para permitir la remoción de
la parte terminada. La fundición en dados es el proceso más conocido de este
grupo.
Las piezas de forma
geométrica intricadas se producen generalmente mediante procesos de molde consumible.
Por otra parte, algunos procesos de molde permanente tienen ciertas ventajas
económicas en operaciones de alta producción.
Calentamiento del metal
Se usan varias clases de
hornos para calentar el metal a la temperatura necesaria de fusión. La energía
calorífica requerida es la suma de:
1. Calor
para elevar la temperatura hasta el punto de fusión
2. Calor
de fusión para convertir el metal de sólido a líquido
3. Calor
para elevar al metal fundido a la temperatura de vaciado
Vaciado del metal
fundido
Después del
calentamiento, el material está listo para vaciarse. La introducción del metal
fundido en el molde y su flujo dentro del sistema de vaciado y de la cavidad es
un paso crítico en el proceso. Para que este paso tenga éxito, el metal debe
fluir antes de solidificarse a través de todas las regiones del molde, incluida
la región más importante que es la cavidad principal. Los factores que afectan
la operación de vaciado son la temperatura de vaciado, la velocidad de vaciado
y la turbulencia.
Fluidez
Las características del
metal fundido se describen frecuentemente con el término fluidez, una medida de
la capacidad del metal para llenar el molde antes de enfriarse. La fluidez es
inversa a la viscosidad; al incrementarse la viscosidad, la fluidez decrece.
Los factores que afectan
la fluidez son la temperatura del vaciado, la composición del metal, la
viscosidad del metal líquido y el calor transferido a los alrededores.
Solidificación y
enfriamiento
Después de vaciar el
metal fundido en el molde, éste se enfría y solidifica.
La solidificación
involucra el regreso del metal fundido al estado sólido. El proceso de
solidificación difiere, dependiendo de si el metal es un elemento puro o una
aleación.
Contracción
La contracción ocurre en
tres pasos:
1. Contracción
líquida durante el enfriamiento anterior a la solidificación
2. Contracción
durante el cambio de fase de líquido a sólido, llamada contracción de
solidificación
3. Contracción
térmica de la fundición solidificada durante el enfriamiento hasta la
temperatura ambiente
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