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TRABAJO ESPECIAL

OPTIMIZACIÓN DEL PROCESO DE FUNDICIÓN DE PRECISIÓN POR

CENTRIFUGADO EN LA FABRICACIÓN DE PIEZAS PARA

TRAUMATOLOGÍA

Presentado ante la Ilustre

Universidad Central de Venezuela

Por los Brs:

Carrero Toro, Wilmer Alexander

Colmenares Gil, José Alexander

Para optar al título de

Ingeniero Mecánico

Caracas, 2000

RESUMEN

Carrero Toro, Wilmer Alexander /y/ Colmenares Gil, José Alexander

Título: “Optimización del proceso de fundición de precisión por centrifugado en la

fabricación de piezas para traumatología.”

Tutor Académico: Falcón, Othman. Caracas. UCV. Facultad de Ingeniería. Escuela de

Ingeniería Mecánica. 2000. 70 páginas.

1.- Tecnología Mecánica 2.- Fundición de Precisión 3.- Centrifugado.

La investigación consistió en la optimización del proceso de producción de fijadores

externos (rótulas) para uso traumatológico, mediante fundición de precisión por

centrifugado. Para lograr optimizar el proceso, fue necesario realizar las siguientes

modificaciones: Se rediseñó el molde de aluminio de donde se obtienen los patrones de

cera, también se creó un nuevo molde hecho de silicona para el árbol donde se adhieren

dichos patrones, con el fin de aumentar la sección de vertido del aluminio empleado

(A356). Se modificó la máquina centrifugadora con el fin de aumentar el número de

revoluciones y por ende la fuerza centrifuga en la colada, además se le adaptó un

mecanismo de centrado para el molde para disminuir tanto la excentricidad como el tiempo

efectivo de colada. Todas estas modificaciones permitieron obtener un total de dieciocho

rótulas por colada, en comparación con las cuatro rótulas producidas anteriormente.

Además se fabricó una máquina inyectora de cera que se emplea para la elaboración

de los patrones de cera. Se construyó una cámara de vacío necesaria para desairear la

mezcla del yeso (revestimiento) antes del fraguado del mismo. Con la dotación de estos

equipos, se podrá realizar en la Escuela de Ingeniería Mecánica todo el proceso requerido

para la preparación del molde refractario y posterior colada de piezas de aluminio de alta

calidad y precisión.

Finalmente las rótulas fabricadas fueron sometidas a diferentes ensayos como

pruebas In Vitro donde se verificó la resistencia del montaje, rugosidad, porosidad y

dureza. Los resultados obtenidos permiten confirmar la calidad de las piezas obtenidas y la

alta potencialidad del proceso de reducir los actuales costos de fabricación.

DEDICATORIA

DEDICATORIA

A Dios Todo poderoso, por existir y cruzar en mi camino a todas

aquellas personas que me han ayudado alcanzar tan anhelada meta.

A mis Padres, Aura y Primitivo

por la educación que me concedieron.

A mi hermano Alejandro para que este logro te sirva de ejemplo

en la búsqueda de tus metas.

A Elena y Manuel, mis tíos que forman parte

fundamental en este logro.

A mis queridas hermanas Gisela, Alejandra, Fernanda y Elenita

las quiero mucho.

Alexander

A mis padres: Gladys y Jesús.

Wilmer

En Especial A Johnny Alejandro Carrasquero Medina Nuestro gran amigo y compañero,

siempre estarás presente en nuestros corazones. Que Dios te tenga en la Gloria.

AGRADECIMIENTOS

A la Ilustre Universidad Central de Venezuela por habernos formado como

profesionales útiles.

A nuestro tutor académico, Prof. Víctor Othman Falcón, por ser un excelente guía

durante el desarrollo de nuestro Trabajo Especial de Grado.

Al Prof. Alfonso Bencomo, por la confianza depositada en nosotros, al facilitarnos

el acceso al laboratorio de Pirometalurgia, de la Escuela de Metalurgia.

Al personal del CEBIO: Prof. Miguel Cerrolaza, Ing. Gabriela Contreras, Ing.

Wladimir Delgado, Ing. Gabriela Martínez, Ing. Nelson Camacho, Ing. Sergio Rodríguez, a

todos ellos le agradecemos permitirnos compartir tanto las instalaciones del CEBIO como

las del IMME.

A los Ingenieros, Juan Carlos Rojas, Daniel Castro, Lorenzo Zabala, , Carlos

Sánchez,. Elio Castro, , quienes aportaron sus conocimientos.

Al personal técnico que labora en nuestra Facultad, Ellys Araque, Ronald, Juvenal,

Luis Bayona, Bracho, gracias a ustedes por la atención prestada.

Al Prof. Orlando Reyes, por dedicarnos gran parte de su tiempo y ofrecernos todos

sus conocimientos que fueron muy útiles.

Al Prof. José Luis Perera y la Prof. Tibisay Zambrano por estar siempre pendientes.

A nuestros compañeros Richard Martínez, Ing. Yomar González, Ing. Carolina

Medrano, Ing. Luis Echarri por compartir momentos importantes.

A Marié y Virginia, por apoyarnos en los momentos difíciles.

En general a todas aquellas personas, que colaboraron desinteresadamente

aportando un grano de arena en el desarrollo de nuestro trabajo especial de grado.

INTRODUCCIÓN

INTRODUCCIÓN

El Centro de Bioingeniería de la Universidad Central de Venezuela es una unidad de

investigación en la que se desarrollan proyectos que involucran el trabajo en conjunto de

profesionales en medicina e ingeniería. Para los presentes momentos se han desarrollado,

entre otros proyectos una serie de fijadores externos para fracturas óseas.

Los precios ofrecidos al público son noblemente menores, en comparación con sus

equivalentes importados, sin embargo, aún con estos precios son difíciles de adquirir por la

gran mayoría de los pacientes que los requieren, por lo que se ha hecho evidente la

necesidad de optar por el proceso de fundición de precisión, en el entendido que se trata de

un proceso que permite aumentar el número de piezas obtenidas y en función de ello

disminuir los costos de fabricación.

El proceso de fundición de precisión es usado principalmente para la producción de

piezas que requieran de precisión dimensional y buen acabado superficial, características

esenciales en la fabricación de dichas piezas. Se conoce que éste método ha sido utilizado

con excelentes resultados en la producción de rótulas de fijadores externos.

En el desarrollo del siguiente trabajo, se determinarán los parámetros adecuados

para incrementar la cantidad de piezas fundidas por colada, evaluándolas y tomando como

referencia la calidad de las piezas producidas anteriormente.

El presente trabajo es un estudio experimental del proceso de fundición de precisión

por centrifugado usando modelos de cera dirigido a optimizar el método mediante el cual

se pueda incrementar el número de piezas por colada, manteniendo o mejorando la calidad

de las mismas obtenidas anteriormente en otro trabajo de grado. De los ensayos que se

lleven a cabo tales como propiedades mecánicas, acabado superficial, entre otras, se

concluirá cual será el número adecuado de piezas de fundición que se puedan obtener por

colada. De la misma manera, se construirá el equipo necesario para construir el molde tales

como una inyectora de cera y una cámara de vacío para desairar la mezcla de refractario.

TABLA DE CONTENIDO

1 CONCEPTOS GENERALES ............................................................................................. 1

1.1 PROCESOS DE FUNDICIÓN ............................................................................................... 1

1.1.1 Fundición de precisión ..................................................................................... 1

1.1.2 Fundición a presión ........................................................................................... 1

1.1.3 Colada centrífuga .............................................................................................. 2

1.2 SOLIDIFICACIÓN DEL METAL ............................................................................................ 3

1.2.1 Colabilidad ........................................................................................................ 3

1.2.2 Proceso de solidificación.................................................................................. 4

1.2.3 La contracción .................................................................................................. 5

1.2.4 Solidificación direccional .................................................................................. 7

1.3 MODELOS PARA LA FUNDICIÓN ....................................................................................... 8

1.3.1 Tolerancia ......................................................................................................... 9

1.4 ALEACIÓN DE ALUMINIO A356 ...................................................................................... 10

2 FUNDICIÓN DE PRECISIÓN ....................................................................................... 12

2.1 RESEÑA HISTÓRICA ...................................................................................................... 12

2.2 VENTAJAS ..................................................................................................................... 14

2.3 LIMITACIONES ............................................................................................................... 15

2.4 DEFECTOS DE FUNDICIÓN ............................................................................................. 16

2.4.1 Porosidad......................................................................................................... 16

2.4.2 Superficies rugosas y rebabas ......................................................................... 18

2.4.3 Piezas con superficies picadas ....................................................................... 19

2.4.4 Burbujas de metal adheridas a la fundición .................................................... 19

2.4.5 Piezas fundidas incompletas ............................................................................ 19

2.4.6 Grietas en las piezas fundidas ........................................................................ 20

2.5 EL MODELO.................................................................................................................. 20

2.6 CLASIFICACIÓN DEL PROCESO ....................................................................................... 21

2.6.1 Fabricación del molde para los modelos ........................................................ 22

2.6.2 Ceras para Modelar ........................................................................................ 22

2.6.3 Inyectora de cera ............................................................................................. 23

2.6.3.1 Inyectado de la cera ..................................................................................... 23

2.6.3.2 Contracción .................................................................................................. 23

2.6.4 Procedencia y composición de las ceras ......................................................... 24

2.6.4.1 Ceras comerciales ........................................................................................ 24

2.6.4.2 Ceras para inyectar ...................................................................................... 25

2.6.5 Elaboración de los modelos ............................................................................ 26

2.7 MATERIAL DE REVESTIMIENTO ....................................................................................... 26

2.7.1 Porosidad del revestimiento ............................................................................ 27

2.8 COMPOSICIÓN DEL REVESTIMIENTO ............................................................................... 27

2.8.1 Aglutinante....................................................................................................... 28

2.8.2 Sílice ................................................................................................................ 28

2.8.3 Refractario ....................................................................................................... 29

2.8.4 Aditivos ............................................................................................................ 30

2.8.5 Condiciones de conservación .......................................................................... 30

2.9 VACÍO ........................................................................................................................... 30

3 PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL ......................................................................... 31

3.1 METODOLOGÍA DE FUNDICIÓN ...................................................................................... 31

3.1.1 Preparación del molde de Aluminio para fabricación de modelos ................. 32

3.1.2 Preparación del patrón de cera...................................................................... 32

3.1.2.1 Temperatura de Inyección ............................................................................ 32

3.1.2.2 Presión de Inyección ................................................................................... 32

3.1.2.3 Inyección de la cera ...................................................................................... 32

3.1.2.4 Extracción del patrón de cera ...................................................................... 33

3.1.2.5 Limpieza de la cera de modelar ................................................................... 33

3.1.2.6 Correcciones en las ceras inyectadas .......................................................... 34

3.1.2.7 Preparación del Árbol de Cera .................................................................... 34

3.1.3 Los cilindros y la preparación del refractario ............................................... 35

3.1.3.1 Holgura entre el modelo y las paredes del cilindro ..................................... 35

3.1.3.2 Espesor del yeso en la parte superior del modelo ........................................ 35

3.1.3.3 Preparación de la mezcla de revestimiento .................................................. 35

3.1.3.4 Evitar las burbujas de aire ........................................................................... 36

3.1.3.5 Tiempo de fraguado ...................................................................................... 36

3.1.3.6 Aplicación de Vacío a la Mezcla del Yeso .................................................... 37

3.1.3.7 Llenado del cilindro...................................................................................... 38

3.1.3.8 Aplicación del vacío al cilindro.................................................................... 38

3.1.4 Proceso de Sinterizado .................................................................................... 39

3.1.4.1 Control de Temperatura en el Proceso de Sinterizado ................................ 39

3.1.4.2 Remoción de la cera .................................................................................... 40

3.1.4.3 Ciclo de sinterizado ...................................................................................... 40

3.1.4.4 Color del revestimiento en la zona de alimentación .................................... 41

3.1.4.5 Descenso de la temperatura del cilindro ...................................................... 41

3.1.5 Preparación de la centrifugadora .................................................................. 42

3.1.6 Colada del aluminio ........................................................................................ 42

3.2 ENSAYOS ....................................................................................................................... 43

3.2.1 Rugosidad ....................................................................................................... 43

3.2.3 Compresión axial al montaje de rótulas.......................................................... 43

3.2.3 Cambios dimensionales durante el proceso .................................................... 45

3.2.4 Porosidad......................................................................................................... 45

3.2.5 Ensayo de dureza ............................................................................................. 45

4 EQUIPOS CONSTRUIDOS ........................................................................................... 46

4.1 INYECTORA DE CERA...................................................................................................... 46

4.1.1 Funcionamiento de la inyectora de cera ........................................................ 46

4.1.2 Características de la inyectora........................................................................ 47

4.2 CÁMARA DE VACÍO ........................................................................................................ 48

4.2.1 Funcionamiento ............................................................................................... 48

4.2.2 Características de la Cámara de Vacío .......................................................... 49

5 ANÁLISIS DE COSTOS .................................................................................................. 50

5.1 INVERSIÓN INICIAL ........................................................................................................ 50

5.2 COSTO FIJO ANUAL ( CFA) ........................................................................................... 51

5.3 COSTO VARIABLE ANUAL ( CVA ) ................................................................................... 51

5.4 COSTO TOTAL ANUAL ................................................................................................... 52

6 ANÁLISIS DE RESULTADOS ....................................................................................... 54

6.1 ANÁLISIS DEL PROCESO DE FUNDICIÓN .......................................................................... 54

6.2 ENSAYO A COMPRESIÓN AXIAL AL MONTAJE DE RÓTULAS ................................................. 56

6.3 ENSAYO DE DUREZA ...................................................................................................... 57

6.4 RUGOSIDAD .................................................................................................................. 58

6.5 POROSIDAD .................................................................................................................. 59

6.6 REGISTRO DE DIMENSIONES ........................................................................................... 60

CONCLUSIONES ............................................................................................................... 62

RECOMENDACIONES ...................................................................................................... 64

EQUIPOS UTILIZADOS .................................................................................................... 66

MATERIALES UTILIZADOS ............................................................................................ 67

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................................... 68

PLANOS ................................................................. ¡ERROR! MARCADOR NO DEFINIDO.

TABLA DE FIGURAS

FIG. 3.1 Molde y Patrón de Cera.........................................................................................33

FIG: 3.2 Molde de Silicona..................................................................................................34

FIG: 3.3 Montaje del Arbol..................................................................................................34

FIG: 3.4 Aplicación de Vacío a la Mezcla............................................................................37

FIG: 3.5 Aplicación de Vacío al cilindro..............................................................................38

FIG: 3.6 Lectura de temperatura del molde refractario.......................................................42

FIG: 3.7 Fijador externo Oxford establecido en un hueso fracturado.................................44

FIG: 4.1 Inyectora de Cera...................................................................................................47

FIG: 4.2 Cámara de Vacío....................................................................................................48

FIG: 6.1 Arbol de 18 rótulas de aluminio.............................................................................56

FIG: 6.2 Montaje de las Rótulas...........................................................................................57

INDICE DE TABLAS

Tabla 3.1 Control de los Niveles de Temperatura..............................................................40

Tabla 5.1 Comparación de costos......................................................................................53

Tabla 6.1 Parámetros utilizados en el proceso de fundición...........................................54

Tabla 6.2 Valores promedios de dureza obtenidos...........................................................57

Tabla 6.3 Medidas obtenidas de Rugosidad......................................................................58

Tabla 6.4 Indices de porosidad (%) Reportados...............................................................59

Tabla 6.5 Medidas comparativas entre el patrón de cera y la probeta de Aluminio........60

Capítulo 1 CONCEPTOS GENERALES

1

1 CONCEPTOS GENERALES

El proceso de fundición es un tipo de manufactura en el cual se funde el metal para

después vaciarlo dentro de un molde que ha sido previamente preparado y que permite la

solidificación antes de ser extraído. La pieza fundida es el producto de la solidificación del

metal en la cavidad del molde, donde copia satisfactoriamente toda la geometría y detalles

existentes.

El proceso particular de fundición empleado en este trabajo es el de fundición de

precisión con centrifugado durante la colada. Este tipo de fundición reúne las características

y ventajas que se obtienen en la fundición de precisión simple, en la fundición a presión y

en la fundición centrifugada. Estos tres procesos se explican a continuación.

1.1 Procesos de fundición

1.1.1 Fundición de precisión

Este proceso se conoce también como proceso de cera perdida. En él se hacen los

modelos de cera o plástico, se cubren con un refractario y luego se someten a un vaciado

para que no haya burbujas en su interior. Este molde refractario es calentado para extraer la

cera, de esta forma queda en su interior una cavidad con la forma de la pieza que se desea

producir. Luego el metal es vertido en el molde, el cual debe romperse para extraer la pieza.

Este procedimiento se emplea mucho, particularmente, para fabricar herramientas cortantes

y diferentes piezas de maquinas, cuyos materiales son difíciles de trabajar a presión o por

corte.

1.1.2 Fundición a presión

Otro procedimiento progresivo de hacer piezas de fundición es la colada a presión,

con este procedimiento, las piezas se obtienen inyectando a presión el metal fundido en

moldes de acero. Las piezas que se consiguen por este procedimiento son muy exactas,

pueden tener configuración complicada y paredes delgadas, cuyo espesor puede estar entre

1 y 2 mm. y que no necesitan someterse a mecanizado. La productividad de las máquinas

para colada a presión alcanza entre 50 y 1.000 coladas por hora. La pequeña rugosidad de la


2

superficie y la precisión de las dimensiones de la cavidad de trabajo del molde asegura la

obtención de piezas fundidas con una superficie lisa que prácticamente no requiere

acabado por corte y la alta presión sobre la masa fundida mejora el llenado del molde y

disminuye la porosidad. Este método se utiliza para la producción masiva y permite además

de lo dicho anteriormente disminuir el tiempo de control de operación. En la práctica de

este proceso se requiere un profundo estudio del diseño del molde, para lo cual es necesario

prever un sistema de refrigeración por agua independiente del dispositivo de colada y de

extracción de piezas.

1.1.3 Colada centrífuga

Este es el procedimiento de fundición en el cual la masa fundida que se vacía al

molde en el proceso de llenado del mismo de solidificación y enfriamiento se expone a la

acción de fuerzas centrífugas. Dichas fuerzas son producto de la rotación en que se

encuentra el molde donde se está realizando el vaciado. El molde puede girar alrededor de

un eje vertical, horizontal o inclinado.

La ventaja más importante de la utilización de este procedimiento se logra al elaborar

piezas que tienen forma de sólidos de revolución y en algunos casos se puede emplear para

fabricar piezas perfiladas, como engranajes, discos de rotores de turbinas con paletas,

piezas de armazones, etc. Otras ventajas que se deben resaltar de este procedimiento son

que al fundir cilindros huecos no se requieren machos para formar el orificio, ya que debido

a la ación de la fuerza centrífuga la masa fundida se distribuye junto a las paredes del

molde, se requiere un gasto mínimo de metal para los bebederos y también gracias a la

presencia de las fuerzas centrífugas las piezas obtenidas son compactas, sin rechupes de

contracción, ni poros de gas.

La acción de las fuerzas centrífugas no sólo trae consecuencias positivas sino que

tiene también sus inconvenientes como lo son que durante el llenado del molde se

intensifica la segregación de los componentes de la aleación, por lo que no todas las

aleaciones pueden ser fundidas por el procedimiento centrífugo, además ocurre

acumulación de suciedades en la superficie interior de segregados e inclusiones no

metálicas, y también se tiene inexactitud en el diámetro de la superficie libre de las piezas

fundidas.


3

1.2 Solidificación del metal

El Metal en estado liquido mantiene en disolución cierta cantidad de gases la cual

depende de la temperatura del liquido. Estos gases en su mayor parte se desprenden durante

la solidificación y por ello el origen de las sopladuras, defectos muy dañinos en las piezas

fundidas. Como la solubilidad de los gases en el metal líquido disminuye generalmente con

la temperatura se busca que la colada se realice a la temperatura más baja posible y, por lo

tanto, muy próxima a la temperatura de solidificación. Esto presenta el inconveniente de

reducir la fluidez del metal, por lo cual el llenado del molde puede resultar defectuoso. Por

otra parte, como el metal se enfría al entrar en contacto con las paredes del molde, se corre

el riesgo de que el metal solidifique antes de llenar la cavidad del molde.

Lo ideal es colar bajo condiciones que promuevan la fluidez y, al mismo tiempo, no

generar un volumen excesivo de gases. Esto puede lograrse con cierta aproximación,

operando en la siguiente forma: el metal fundido se lleva y mantiene en el horno hasta una

temperatura muy cercana a la de solidificación permitiendo el desprendimiento de los gases

que se han disuelto a más altas temperaturas. Una vez logrado esto, se eleva rápidamente la

temperatura del metal líquido hasta la necesaria para obtener una fluidez suficiente, colando

inmediatamente a continuación para no dar tiempo de redisolver los gases.

También, para igual fin, se suele acudir a la adición de compuestos o equipos

desgasificadores, los cuales se usan justo antes de la colada.

1.2.1 Colabilidad

En la cavidad del molde es importante que el metal líquido fluya fácilmente para

reproducir los detalles. A ello se opone su viscosidad y tensión superficial, lo cual tiende a

redondear las formas agudas, con lo cual la pieza resultaría defectuosa. En este contexto es

crítico el concepto de colabilidad del metal, la cual puede definirse como la aptitud que

tiene el metal o aleación líquida para copiar completamente los detalles de un molde.

Aunque tiene cierta relación con la viscosidad (la cual concierne sólo al estado

líquido) la colabilidad implica comportamiento durante la solidificación. En este sentido

influyen los siguientes factores:


4

a) Naturaleza del metal o su composición química.

b) Condiciones de vaciado: Temperatura, velocidad de solidificación del molde,

modo de alimentación de la pieza, circulación del metal en la cavidad del molde,

agitación durante el proceso, etc.

c) Temperatura inicial y naturaleza del molde, su porosidad y espesor así como el

modo de enfriamiento exterior.

d) Peso, dimensiones y forma de la pieza.

e) Estado de la superficie del molde, o sea contacto molde-metal.

Las leyes que rigen la colabilidad son las siguientes:

a) La colabilidad varía en sentido inverso del intervalo de solidificación. Es máxima

para los metales puros, Los eutécticos y aquellas aleaciones para las cuales el

líquido pasa por un máximo. La colabilidad es mínima para las soluciones sólidas

saturadas.

b) La colabilidad depende de las etapas de solidificación. Es mayor cuando el

líquido origina cristales convexos que durante la fase dendrítica.

1.2.2 Proceso de solidificación

El metal se solidifica durante su desplazamiento en el molde y el intervalo de

solidificación tiene una influencia importante. Se pueden distinguir 3 etapas:

a) Los cristales están poco desarrollados y flotan en el liquido. La fase sólida no es

continua. Las dos fases pueden desplazarse.

b) Los cristales están en contacto e inmovilizados; forman un conjunto a través del

cual el liquido puede desplazarse. Las dos fases, sólido y liquido, son continuas,

pero sólo la fase liquida puede desplazarse.

c) El desarrollo de los cristales es tal, que el líquido es inmovilizado. La fase sólida

es continua. No puede producirse desplazamiento relativo de alguna fase.


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1.2.3 La contracción

Se sabe que el enfriamiento de un metal produce un efecto de contracción que puede

ser dividida en tres fases: contracción liquida, contracción de solidificación y contracción

sólida.

La primera se produce en estado líquido, durante el enfriamiento hasta la

temperatura de solidificación. A causa de ésta el molde que estaba lleno de metal líquido

quedará sólo parcialmente lleno si no se le suministra líquido adicional para llenar el vacío

que origina la contracción liquida. Esta contracción es la responsable del rechupe en las

piezas, como se verá más adelante.

La contracción de solidificación ocurre por el enfriamiento durante esa etapa. Los

metales puros o las aleaciones eutécticas, las cuales solidifican a temperatura constante, no

sufren esta contracción, ya que no hay cambio de temperatura mientras el metal solidifica.

En las otras aleaciones, soluciones sólidas o aleaciones de más de un constituyente

(eutécticas con su constituyente en exceso, metales o soluciones con un compuesto, etc.), la

solidificación ocurre en un rango más o menos amplio de temperaturas y, por lo tanto,

desde que la aleación empieza a solidificar hasta que termina, la temperatura desciende con

el consiguiente efecto de contracción. Esta contracción es la más peligrosa de todas, pues

fácilmente puede dar lugar a grietas del metal, dado que hallándose en estado pastoso hasta

el fin de la solidificación, no tiene resistencia para soportar las tensiones internas que se

generan durante esta contracción.

Finalmente, el metal sólido se enfría hasta la temperatura ambiente, y con ello se

contrae hasta dicha temperatura.

Esta contracción puede originar tensiones en el metal que pueden ocasionar incluso

la ruptura (aunque por la mayor resistencia que posee el metal sólido son menos peligrosas

que las anteriores). Por otra parte, el peligro puede evitarse mediante un rápido desmoldeo

que permita a la pieza pueda contraerse libremente.

Contracción lineal: Se refiere al cambio de dimensiones del metal en el estado sólido.

Esta contracción se expresa en fracciones de las dimensiones lineales.

Los factores que influyen en la contracción lineal son:


6

a) Naturaleza de la aleación: Sobre ella influyen las propiedades de dilatación lineal,

contracción de solidificación, temperatura de fusión, calor específico, calor latente

de fusión y otros.

b) La temperatura de colada: Un aumento de la temperatura de vaciado incrementa la

temperatura del molde y en consecuencia mayor la dilatación de este. El

sobrecalentamiento del metal líquido retarda la solidificación. Inversamente, al

colar a temperatura más baja, el molde se dilata menos. El valor de la contracción

tiende a disminuir cuando para una aleación determinada, la temperatura de colada

aumenta.

c) Temperatura inicial de molde: Actúa sobre la dimensión del molde en el momento

de la solidificación.

d) Tipo de molde: Las características físicas del metal o aleación del cual está

constituido el molde influyen sobre la contracción lineal, en particular el coeficiente

de dilatación y la conductividad térmica.

e) Forma de la pieza: En una pieza pueden existir partes en las cuales la contracción

lineal, no esta obstaculizada y otras en las cuales no es así. La experiencia permite

fijar las dimensiones que deben dársele al molde en cada caso particular.

f) Calor Específico: Se refiere a la cantidad de calor necesario para elevar la

temperatura de 1 gramo del metal o aleación en 1ºC.

g) Calor Latente de Fusión: Es la cantidad de calor que es necesaria agregar a 1 gramo

de metal para hacerlo pasar del estado liquido al sólido, sin cambiar de temperatura.

h) Posibilidad de absorción: Como se mencionó, los metales y aleaciones pueden

disolver en el estado líquido cantidades importantes de gases.


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Al permanecer el metal o aleación sobre la temperatura de fusión se incrementa la

cantidad de gases disueltos. En ésta situación puede presentarse varios casos:

a) Los gases se combinan con un elemento de la aleación: Con la presencia del

oxígeno del aire se puede producir un óxido que subsiste en el estado sólido. Si el

oxido es soluble en el metal en el estado sólido, puede pasar a formar parte de la

estructura de la aleación (Cu2O en las aleaciones cuprosas).

b) Si el óxido no es soluble, flota en la superficie o permanece como inclusiones en el

sólido. ( AL2O3 en las aleaciones de aluminio).

c) Puede suceder que el oxígeno se combine con un elemento de la aleación, creando

un compuesto gaseoso que se desprende. Este es el caso del S contenido

accidentalmente en las aleaciones cuprosas.

d) Los gases disueltos en aleación líquida: Este es el caso particular del hidrógeno en

las aleaciones ligeras (100 gr. de Al-Si pueden disolver 2 cm3 de hidrógeno a 800

ºC). La solubilidad disminuye durante la solidificación, produciéndose pequeñas

burbujas gaseosas durante la solidificación. Estas pueden quedar atrapadas en el

metal líquido, dando origen a las porosidades.

e) Aptitud para disolver otros elementos: Las aleaciones líquidas en contacto con

diversos materiales pueden disolverlos. Los crisoles, los refractarios de los hornos,

las herramientas para remover el metal, las cucharas de colada y los combustibles

son fuentes de contaminantes.

1.2.4 Solidificación direccional

Para obtener de un producto sólido, libre de tensiones y de dimensiones exactas, el

especialista debe desarrollar habilidades para asegurar una solidificación controlada. Como

el metal se vacía a una temperatura bastante por encima de su punto de solidificación, el


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exceso de calor puede usarse para calentar ciertas partes del molde y promover lo que se

conoce como solidificación direccional.

Tal vez el factor más importante a considerar durante el proceso de solidificación

del metal es el fenómeno de subenfriamiento. Este es función de la velocidad de nucleación

y no depende de la composición química, por lo cual algunas especificaciones que exigen

rígidos límites químicos, son prácticamente inútiles para ejercer algún control sobre este

fenómeno.

Como la cristalización se inicia en los núcleos, la ausencia de estos retrasará el

proceso, originándose un alto grado de subenfriamiento.

Después de la solidificación, la pieza continúa enfriándose hasta la temperatura

ambiente. Durante éste período sufre cierta contracción, dependiente de su composición. En

muchos casos también pasará a través de cambios cristalográficos.

Es importante por lo tanto, promover un enfriamiento lento para que los cambios

tomen lugar gradualmente sin tensiones anormales fases metaestables. Esto es

particularmente válido en los moldes con cambios bruscos de sección, los cuales deben

evitarse mediante un diseño apropiado. La aplicación de tratamientos térmicos adecuados

permiten reducir las tensiones.

1.3 Modelos para la fundición

El modelo constituye el patrón para la formación de la cavidad del molde. Este y

posteriormente la pieza provienen de la utilización adecuada de un patrón (o modelo)

conveniente, pueden clasificarse en: sueltos, placas modelo, modelos divididos, y otros.

a) Sueltos: Son copias de la pieza deseada con la incorporación de las tolerancias y

dimensionamiento necesario para contrarrestar los efectos de contracción y proveer apoyos

para los elementos que formarán cavidades en la pieza (machos). Se construyen de diversos

materiales y generalmente se utilizan para la producción de prototipos.


9

b) Modelos con sistemas de alimentación: Aquí, el sistema de canales de

alimentación se incluye en el modelo y se elimina el trabajo manual adicional. Con este tipo

de modelo se aumenta la velocidad de producción de piezas pequeñas.

c) Placa modelo: Para grandes producciones de piezas pequeñas y medianas, se

utiliza este tipo de modelo. Las partes superiores del mismo están sujetas a los lados

opuestos de una superficie de metal o madera, constituyendo ésta la línea divisoria o de

partición. En general los sistemas de alimentación son parte integral de la placa.

d) Modelos divididos: Consisten de las partes superiores e inferiores del modelo

montados sobre placas separadas lo cual permite su moldeo por partes para luego

ensamblar el molde total. Se utilizan preferiblemente para la fundición de piezas de tamaño

medio y grande.

e) Otros modelos: Cuando los modelos mencionados no pueden utilizarse para una

determinada pieza, se preparan modelos especiales, de complejidad variable.

1.3.1 Tolerancia

A fin de lograr una pieza final con las dimensiones correctas, es necesario incluir,

durante el diseño del modelo, algunos ajustes dimensionales para corregir distorsiones,

movimientos y contracciones del metal, así como proveer márgenes para el mecanizado, si

fuese necesario. Entre las tolerancias que se consideran durante el diseño del patrón ó

modelo, se incluyen:

a) Contracción: Aunque el efecto es volumétrico, la corrección se expresa

linealmente en el aumento dimensional que debe incluirse para contrarrestar la

contracción. Puede variar de dimensiones, dependiendo del metal y la naturaleza

de la pieza. Para facilitar este trabajo, el modelista utiliza una regla especial, la

cual incluye este factor.


10

b) Mecanizado: Dependiendo del metal y tipo de vaciado se prevé un exceso de

material para compensar la características superficiales de la pieza y perdidas

durante la limpieza y mecanizado.

c) Conicidad (salida): Se refiere a la pequeña inclinación que se da a las paredes

verticales del modelo para poder extraer el mismo.

1.4 Aleación de aluminio A356

Para este trabajo especial se utiliza esta aleación de aluminio debido a que su

composición y procesamiento puede responder a muchas de las propiedades requeridas y

por su bajo costo de producción y elaboración,.

La composición química de esta aleación es:

Si 7,0, Cu 0,20 máx.,

Mg 0,35, Mn 0,10 máx.,

Fe 0,20 máx. y Zn 0,10 máx.

Cabe destacar que la infraestructura necesaria para fundir aluminio es simple y

económica comparada con la que se necesita para fundir metales ferrosos gracias a su

liviandad y a sus bajas temperaturas de procesamiento. Esta aleación ha resultado ser

idónea en la fabricación de piezas para traumatología.

Las aleaciones comerciales Al-Si son las de uso más difundido en la industria para la

fabricación de piezas fundidas. Entre las propiedades que otorga el Si están:

Disminuye el agrietamiento por contracción y la fragilidad en caliente.

Disminuye el coeficiente de dilatación.

Mantiene una buena resistencia a la corrosión.

Aumenta la resistencia al desgaste.

Aumenta notablemente la colabilidad.

El silicio no mejora sustancialmente las propiedades mecánicas, aunque de hecho, su

inclusión trae aparejado un aumento de dureza y resistencia a la tracción a costa de una


11

disminución de la ductilidad. Sin embargo, la incorporación de terceros aleantes como el

Mg y el Cu permiten alcanzar muy buenas propiedades mecánicas.

Capítulo 2 FUNDICION DE PRECISIÓN

12

2 FUNDICIÓN DE PRECISIÓN

2.1 Reseña Histórica

El proceso de fundición de precisión puede ser ubicado hacia el 4000 A.C., y ha

sido aplicado con particular éxito a la producción de fundiciones artesanales desde hace

varios siglos hasta el presente. En África occidental una gran cantidad de fundiciones

fueron producidas desde el siglo XI en adelante. Estas fundiciones iban de estatuas hasta

ornamentos para paredes. En vista de la experiencia de los artesanos puede ser razonable

asumir que el proceso fue utilizado para producir objetos mundanos como herramientas,

armamentos y utensilios domésticos.

Egipto nos proporciona uno de los primeros trabajos de este tipo que se conocen. Se

remonta a la época de Ramsés, unos 1400 años antes de Cristo. Los etruscos, unos 1000

años antes de Cristo ya modelaban con una habilidad magistral. Según se ha podido

comprobar, también los antiguos griegos y chinos empezaron a utilizar esta técnica hace

más de 2000 años.

En una época posterior, que comienza unos 400 antes de Cristo, el proceso se

desarrolló independientemente en el Nuevo Mundo, siendo utilizado por los aborígenes

precolombinos de América Del Sur y las civilizaciones Azteca y Maya en América Central,

para reproducir las complicadas piezas de oro que ahora podemos admirar en las

colecciones que se exhiben en algunos museos. Esta técnica también es practicada por

algunas tribus africanas desde hace cientos de años.

Existen innumerables testimonios que confirman la antigüedad de la fundición a la

cera perdida. En el libro de Isaiah, del año 712 antes de Cristo, se cita un ternero de oro,

realizado por Aarón, hecho de metal fundido y decorado con una herramienta de grabar.

Una figura de bronce de Nero que fue fundida por Zenodorus, un artesano griego, para el

Coloso, junto al Templo de Venus en Roma y muchos más cuya enumeración resultaría

demasiado extensa.

A partir del siglo XI, en Alemania, fueron apareciendo florecientes fábricas. En

1022, Hildesheim fue una alta escuela. Dan fe de ello las grandiosas puertas batientes de las


13

cúpulas en 1015, las columnas de Bernwards en 1022 y, de la misma época, muchos

utensilios religiosos y pilas bautismales de fantástica belleza fundidas en una sola pieza,

totalmente irrealizables en fundiciones en arena.

La técnica de fundición a la cera perdida se consagró, alcanzando la perfección, en los

trabajos de Benvenuto Cellini, el orífice y escultor florentino que produjo preciosos

trabajos de joyería en el siglo XVI, llevó a cabo numerosas mejoras técnicas y dejó

constancia escrita de sus métodos. Después de Cellini las técnicas de fundición a la

cera perdida casi desaparecieron, excepto para algunos joyeros, muy pocos, entre

los que se encuentra Karl Fabergé que creó preciosas y complejas piezas de joyería

para el último de los Zares de Rusia, a principios del siglo XX. El proceso de cera

perdida fue adoptado por dentistas durante el siglo XIX para producir piezas

exactas para rellenos, coronas, puentes, etc. para requerimientos individuales a

menudo en oro. El metal era fundido por la técnica de centrifugado, lo cual permitió

una buena reproducción de los detalles. El continuo desarrollo de este proceso a

comienzos del siglo XX fijó las bases de los procesos de ingeniería que hoy

conocemos. La necesidad de producir piezas dentales por fundición en forma

exacta, llevó al estudio de factores que afectan la estabilidad del molde y modelo,

así como las características de solidificación y contracción de un cierto número de

metales y aleaciones. Muchas técnicas fueron introducidas para obtener

dimensiones exactas en las piezas fundidas, fue puesta particular atención al molde

y materiales del molde y un número de ingeniosos planes fueron ensayados para

contrarrestar los efectos de la expansión y contracción.

Para hacerse una idea sobre los resultados obtenidos en este campo debe destacarse

el hecho de que el procedimiento, con muy pocas variaciones, partiendo de la pura

artesanía, se convirtió en uno de los métodos más importantes entre todos los utilizados en

la fabricación de prótesis dentales. A pesar del éxito obtenido por los dentistas, tuvo que

transcurrir un cuarto de siglo, hasta 1930, antes de que los talleres de joyería descubrieran

que podían utilizarlo. El factor que hizo posible la adaptación del proceso a la joyería

moderna fue la circunstancia de que, utilizando moldes de caucho, podían obtenerse

rápidamente duplicados de las piezas en cera.


14

Antes de los años 30 no se realizaron grandes esfuerzos para producir industrialmente

piezas por este proceso, hasta que fueron realizadas en aleaciones a base de cobalto.

Ciertos componentes para motores de aviación turbo cargados, que operan bajo

condiciones rigurosas y aleaciones convencionales, fueron fundidos siendo inapropiados

para estas aplicaciones. Las aleaciones a partir de cobalto fueron ensayadas y se encontró

que podían soportar las condiciones de operación pero eran muy difíciles de maquinar o

trabajar. La situación fue agravada por la compleja geometría de los componentes y se

reconoció que la fundición de precisión era la única respuesta a los problemas de diseño y

requerimientos operativos. El potencial del proceso fue también apreciado y las técnicas

industriales fueron rápidamente desarrolladas para servir a requerimientos especiales de la

industria aérea lo que originó el desarrollo de las turbinas a gas y turbojets.

2.2 Ventajas

Permite la producción de grandes cantidades de piezas con formas complejas que son

difíciles o imposibles de producir por fundición convencional o mecanizado. Pueden

fundirse varias piezas al mismo tiempo. Los materiales del molde y las técnicas usadas

permiten reproducir finos detalles, además se puede obtener excelente precisión

dimensional y superficies lisas en comparación con las que se obtendrían con otros

procesos.

El proceso es adaptable a casi cualquier metal que pueda fundirse y colarse, y piezas

que estén formadas por más de un metal también son factibles.

Con unas modificaciones del proceso básico la producción de piezas con pesos

superiores a 50 lbs. no es difícil. La fabricación de piezas muy largas y con un peso

máximo de 1000 lbs. es a veces factible, aunque este tipo de piezas son raramente

producidas por este método.

El proceso permite un estricto control de las propiedades metalúrgicas, como el tamaño

de grano, orientación del grano y solidificación, lo cual resulta en un buen control de

las propiedades mecánicas. Las piezas obtenidas por este procedimiento son más


15

densas, presentan una estructura de grano más compacto y son menos porosas que las

resultantes de cualquier fundición colada por gravedad.

La cantidad de metal de desperdicio o recortes queda considerablemente reducido.

El proceso es adaptable a la fundición de piezas de aleaciones que deben ser vertidas en

vacío o en atmósfera controlada.

Las líneas de división o partición no alteran las dimensiones de la pieza terminada

como ocurre con otros procesos.

2.3 Limitaciones

El tamaño y peso de las piezas que pueden ser producidas por este proceso está

generalmente limitada por consideraciones físicas y económicas, tanto por la colada

como por la capacidad de los equipos disponibles.

Para poder satisfacer las altas exigencias actuales sobre la obtención de piezas fundidas,

para que presenten una superficie lisa, libre de poros y oquedades, es imprescindible

poseer un conocimiento muy preciso de las técnicas de fundición para cada aleación en

particular.

El costo inicial de los equipos es muy alto para piezas grandes (10 a 50 lbs).

Es sabido que las piezas de fundición no pueden proporcionar una superficie tan lisa y

uniforme como la que se obtiene con material laminado. Incluso la superficie de una

pieza pulcramente abrillantada puede presentar en su interior cuantiosos poros,

oquedades y oclusiones. Caso que se presenta muy difícilmente en fundición por

centrifugado.

La principal limitación de la fundición centrífuga con revestimiento la determina el

tamaño máximo de la pieza a fundir, en relación con las dimensiones del cilindro. Sin

embargo, esto puede superarse planeando modelos en varias partes que, posteriormente,


16

pueden unirse por medio de soldaduras, o cualquier otro medio, para obtener conjuntos

con mayores dimensiones.

La acumulación de poros en una pequeña inclusión, o un resto de óxido, más adelante

pueden transformarse en una grieta. Esto casi nunca ocurre en las piezas fabricadas con

material laminado.

2.4 Defectos de fundición

A continuación se citan algunos de los defectos de fundición más comunes, indicando sus

posibles causas:

- Porosidad.

- Superficies rugosas y rebabas.

- Piezas picadas.

- Burbujas de metal en la fundición.

- Piezas fundidas oxidadas.

- Piezas fundidas incompletas.

- Grietas en las piezas fundidas.

2.4.1 Porosidad

Es el mayor defecto de las piezas fundidas. Se originan principalmente por la

presencia de gas en el metal o por contracciones durante la solidificación.

Las principales causas de la porosidad son:

La alimentación inadecuada del metal fundido en el molde.

El residuo no consumido del modelo, debido al quemado incompleto, puede dejar

partículas de carbón que se transforman en poros, ya sean superficiales o internos.


17

Calentamiento demasiado rápido del revestimiento.

Si el metal se sobrecalienta, se oxida excesivamente y absorbe una cierta cantidad

de gases que, posteriormente, al ser inyectados en el cilindro, se transforman en

poros.

Los tiempos de calentamiento excesivamente prolongados pueden ocasionar

cambios en la estructura, o en la composición de la aleación, propiciados por la

evaporación de los componentes de bajo punto de fusión. El espacio, en la

estructura de la aleación, abandonado por estos metales, propicia la absorción de

oxígeno por el metal fundido.

La excesiva velocidad y presión de la centrífuga, hará que el metal fluya a la

cavidad del molde con demasiada velocidad, provocando una turbulencia interior

que causará porosidad.

Un defecto interesante es la presencia de poros semiesféricos, suaves, en la

superficie de un lado de la pieza fundida en relación con su posición en el árbol. Se

ha demostrado que este defecto es debido a la utilización de velocidades de rotación

excesivas y que está provocado por la turbulencia producida por la corriente de

metal fundido.

Una de las causas de la aparición de poros puede ser debida a la elección de un

cilindro demasiado grande para un determinado modelo. Esto hace que la capa de

yeso que rodea al modelo sea excesivamente gruesa y dificulte la salida de los gases

a través de los poros del revestimiento.


18

2.4.2 Superficies rugosas y rebabas

El exceso de agua debilita la resistencia del yeso fraguado y, además, puede hacer

que aparezcan marcas de agua en las piezas fundidas.

Cualquier resto consistente, ya sea de suciedad, humectante, etc., por insignificante

que parezca, quedará reproducido en la superficie de las piezas fundidas.

Si el revestimiento no se mezcla de forma adecuada, la parte del mismo que entra en

contacto con la superficie del modelo, puede contener grumos o rugosidades que,

posteriormente, se reproducirán en la superficie de las piezas fundidas bajo forma

de rugosidades.

La eliminación excesivamente rápida de la cera, provoca roturas en el

revestimiento.

Si el metal se vierte a una temperatura demasiado elevada, tardará en solidificar y

hervirá en el interior del molde provocando rugosidades en las paredes del mismo

que, posteriormente, se reproducirán en la superficie de las piezas fundidas.

La vibración excesivamente fuerte o prolongada, puede proporcionar un

revestimiento de consistencia tosca, que se reproducirá en la superficie de las piezas

fundidas.

No es aconsejable que el metal inyectado penetre en la cavidad del molde

impactando contra una superficie plana, esto dará lugar a turbulencias que, a su vez,

se transformarán en defectos en la superficie en cuestión.

Si entre el modelo o patrón de cera y las paredes interiores del cilindro, el

revestimiento no dispone del espesor adecuado, su resistencia, frente a las presiones


19

que tienen lugar durante las operaciones de quemado y de inyección del metal,

quedará disminuida pudiendo provocar defectos en la superficie de las piezas

fundidas.

2.4.3 Piezas con superficies picadas

Si la aleación a inyectar no está bien fundida y no es homogénea, proporcionará

superficies defectuosas a las piezas fundidas.

La suciedad presente en el metal a fundir, se inyectará junto con el mismo

proporcionando superficies picadas.

Fragmentos desprendidos del revestimiento que se han podido formar durante el

quemado o la fundición, si no se pueden eliminar, ocuparán parte del espacio

destinado al metal, dando lugar, según su tamaño, a inclusiones en las piezas

fundidas o a superficies picadas

2.4.4 Burbujas de metal adheridas a la fundición

El vacío no se ha aplicado adecuadamente al preparar el revestimiento o, en todo

caso, no se han eliminado las burbujas de aire.

Gotas de agua, o de humectante, que han quedado en la cera durante el pintado.

2.4.5 Piezas fundidas incompletas

El molde debe llenarse totalmente antes de que solidifique el metal del bebedero y

se interrumpa la alimentación de metal líquido.


20

El metal solidifica antes de poder llenar totalmente las cavidades del molde.

El metal fundido no puede llenar la totalidad de las cavidades del molde.

Velocidad de la centrífuga excesivamente lenta.

El recorrido del metal es excesivamente largo y solidifica antes de llenar totalmente

la cavidad del molde.

2.4.6 Grietas en las piezas fundidas

Después de inyectar el metal fundido, debe transcurrir un tiempo prudencial antes

de que el cilindro pueda enfriarse sumergiéndolo en agua. La temperatura interior

del cilindro es mucho más elevada que la exterior y, hasta que no han transcurrido

algunos minutos, las piezas fundidas no están en condiciones de ser sometidas a

cambios de temperatura demasiado bruscos.

Aparecen grietas provocadas por un esfuerzo de tracción, a causa del

empotramiento en el molde que, al contraerse la aleación durante la solidificación,

produce un “desgarramiento en caliente” a lo largo de los contornos de los granos

del último metal fundido. Esto es más probable que ocurra en piezas fundidas, con

un tamaño de grano grande.

2.5 El Modelo

El punto de partida de cualquier tipo de fundición es el modelo, el aspecto y acabado

del modelo de cera revisten una gran importancia, entre otras cosas, porque de su grado de

perfección depende, en parte, la calidad de la pieza fundida resultante, en el caso de la

fundición a la cera perdida, después de recubrirse con un material refractario, se elimina por


21

medio de calentamiento, para obtener una cavidad o molde que más adelante deberá

llenarse con metal fundido. De esta forma, la pieza de cera se transforma en otra del metal

seleccionado.

2.6 Clasificación del proceso

Dos procesos distintos, los cuales difieren en el método de preparación del molde son

utilizados en la producción de fundición de precisión: proceso de inmersión con corteza

y proceso de inmersión sólida. En general los dos procesos no difieren apreciablemente,

difieren más que todo en la preparación de los moldes, o en el ensamblaje de estos. Para el

proceso con corteza es siempre necesario recocer el molde, para el proceso sólido esto no es

necesario a menos que las propiedades de la suspensión refractaria sean inadecuadas para

estas aplicaciones.

El método de precocido para ambos procesos es similar: El modelo es introducido en

una suspensión fina y un refractario granular es aplicado por rociado u otro método.

En el proceso de fundición con corteza, después del precocido, el montaje que

contiene los modelos es sumergido alternativamente en una suspensión y estucado con un

refractario granular y suspendido en una lecho fluidizado hasta que la corteza obtenga el

espesor adecuado. El material fino se usa para la capa inicial y progresivamente para las

capas subsiguientes se va aumentando el tamaño. Cada capa de suspensión y los granos se

secan antes de aplicar la capa subsiguiente.

En contraste, en el proceso de fundición sólida, el montaje de los modelos (precocido

si se usa para piezas de aleaciones con un punto de fusión cercano a 1100 ºC) es colocado

en un recipiente el cual se llena con la suspensión refractaria que va a conformar el molde.

Esta suspensión se endurece al aire y forma una masa sólida en la que se confina el modelo.

Los moldes hechos por estos dos procesos no son necesariamente equivalentes. Por

consiguiente, los factores técnicos y económicos deben ser considerados para decidir entre

los dos. La fusión, el colado y el acabado generalmente son el mismo para ambos procesos.


22

2.6.1 Fabricación del molde para los modelos

Para producciones limitadas los modelos pueden ser maquinados usando un material

desechable, normalmente un plástico o poliestireno. Cuando se requieren muchas coladas,

los modelos son producidos por inyección de cera desechable o material plástico, utilizando

moldes mecanizados. Las tolerancias dimensiónales de estos moldes se controla

severamente.

Los moldes fundidos son menos usados que los moldes maquinados. Estos requieren

un modelo patrón que es una representación dimensionalmente verdadera (con menor

contracción) de la pieza que va a ser fundida. Un modelo patrón maquinado se usa para

preparar los moldes. Se puede hacer de acero de bajo carbono, bronce, aluminio, aleación

de magnesio, acero para herramientas, madera o material plástico laminado.

La selección del material para el patrón depende en gran forma del material del modelo

que va a ser usado, de la presión de inyección (dictada por el material del modelo) y la

cantidad de modelos a producir.

Si el molde es fabricado por maquinado se utiliza acero de bajo carbono (no

endurecido), aleaciones de aluminio, aleaciones de magnesio o bronce. El maquinado de los

moldes es más factible cuando grandes cantidades de modelos son producidas,

especialmente si son de forma compleja.

2.6.2 Ceras para Modelar

Los modelos se preparan con ceras especiales, muy plásticas y estables que, después

de quemadas, apenas dejan residuo en la cavidad del molde. Existe una gran variedad de

ceras cuya plasticidad permiten que sean manipuladas de una forma que no es posible con

otros materiales rígidos. En cada caso debe elegirse la forma y dureza de la cera más

adecuado para su realización. Las ceras se modelan, ablandan o funden de forma apropiada,

hasta lograr los resultados deseados. Para las piezas más pequeñas, y las que requieren

mucho detalle, resultan adecuadas las ceras de formación, los hilos de cera y la aplicación

de cera derretida.


23

2.6.3 Inyectora de cera

Los moldes mecanizados antes descritos precisan de una inyección mecánica de la

cera fundida. La cera puede inyectarse con una inyectora de cera o con la ayuda de una

máquina centrífuga, exactamente como se hace con el metal; sólo que, en vez inyectar

metal fundido en un molde de revestimiento, la cera fundida se inyecta en uno de caucho o

metálico. La técnica más empleada es la de inyección de cera.

2.6.3.1 Inyectado de la cera

El concepto básico del sistema de duplicar un modelo matriz se desarrolla mediante

la utilización de compuestos que pueden moldearse mediante calor. La cera, cuando se

calienta, puede asumir cualquier forma y, al enfriarse, solidifica reteniendo la forma

adoptada previamente.

Este método resulta idóneo para obtener series de reproducciones exactas de un

determinado modelo, reduciendo los costos de producción.

2.6.3.2 Contracción

Si se comparan las medidas del modelo original, ya sea de cera o metálico, con las

de la pieza fundida obtenida al final del proceso, podrá observarse que ésta última ha

quedado algo más reducida. Esto se debe a que el metal fundido, cuando solidifica, se

contrae.

Afortunadamente, en la mayor parte de aplicaciones en la industria, juega un papel

mucho más importante la facilidad de reproducir las piezas que la exactitud en las medidas

de las mismas. Por otra parte, esto tiene fácil solución, pues al fabricar el modelo bastará

con aumentar sus dimensiones y espesores en una proporción que resulte suficiente para

compensar la contracción y pueda obtenerse un producto final que presente las medidas

deseadas. Los factores que intervienen en la contracción son varios, entre los que pueden

destacarse: la composición de la aleación, la temperatura de inyección de la cera, el

coeficiente de dilatación del material de revestimiento, la temperatura de inyección del

metal fundido, etc.


24

2.6.4 Procedencia y composición de las ceras

Existe una gran variedad de composiciones de cera disponibles. Las ceras que se

emplean para la creación de modelos para fundición provienen de tres fuentes principales:

- Insectos y animales.

- Petróleo y minerales.

- Vegetales.

Las ceras de origen animal y vegetal difieren químicamente de las grasas y aceites, de

las ceras del petróleo y de las ceras poliésteres sintéticas. Si bien todas ellas tienen

propiedades físicas parecidas en cuanto a consistencia, tacto, punto de fusión e

insolubilidad en el agua. También se fabrican ceras sintéticas pero, las naturales

proporcionan trabajos de calidad superior. Los puntos de fusión y las temperaturas de

inflamabilidad (temperatura a la que una determinada cera se inflama), son factores que

deben tenerse en cuenta cuando se combinan las ceras.

2.6.4.1 Ceras comerciales

La composición exacta de las ceras comerciales, utilizadas para modelos de

fundición con revestimiento, constituye un secreto de los fabricantes pero sus componentes

básicos son conocidos.

Se fabrican con fluidos viscosos, resinas y masillas. Los fluidos viscosos proceden

de diferentes ceras, entre las que se encuentran la cera blanca de abejas altamente

purificada, la carnauba, la candelilla (estas dos últimas procedentes de la palma) y la

sintética, como la cera bituminosa. La carnauba y la cera bituminosa con un alto punto de

fusión y la candelilla con un punto de fusión más bajo, ayudan a obtener una superficie

brillante.

El peso específico de todas las ceras básicas y composiciones de cera preparadas, a

25°C, varía entre 0.815 y 0.996. Si el peso específico de una cera queda por debajo de 1.00,

esta cera flotará. Todas estas ceras, excepto la vaselina, son sólidas y se vuelven viscosas

dentro de un rango de temperaturas comprendido entre 45° y 104°C.

Cada una de ellas presenta diferentes características como: blandas o duras,

quebradizas o flexibles, resistentes o elásticas, secas o adherentes, resbaladizas o viscosas.


25

Se combinan en ciertas composiciones y proporciones para producir una cera que presente

unas cualidades específicas.

Los fabricantes más importantes de cera a nivel mundial son: Kerr y Ferris. Las dos

marcas están muy acreditadas. Puede resultar beneficioso para el principiante experimentar

con muchas ceras diferentes, familiarizándose con las propiedades que ofrece cada una de

ellas, hasta seleccionar, finalmente, la que mejor se adapte a sus particulares exigencias.

2.6.4.2 Ceras para inyectar

Las ceras para fundición centrifuga se desarrollaron principalmente para la industria

dental, donde la precisión es esencial.

La cera empleada para inyectar contiene plástico de polietileno y es muy dura. Se

utiliza para inyectar patrones de cera en moldes de caucho o de metal. Debe poseer las

siguientes propiedades:

- Debe ser dura y, al mismo tiempo, flexible.

- Debe tener un punto de fusión bajo, fluir fácilmente en estado líquido, enfriar y

solidificar rápida y suavemente. El punto de fusión de una buena cera para inyección, debe

oscilar entre 70° y 73°C.

- No debe adherirse al molde.

- Debe ser flexible mientras está tibia, para que pueda extraerse fácilmente del

molde.

- En frío debe poder doblarse levemente sin romperse.

- Debe ser lo suficientemente resistente para que los patrones puedan mantener su

forma al recubrirlos con el revestimiento.

- Al ser sometidas a temperaturas de 705 °C, deben quemar totalmente, sin dejar

ningún tipo de residuo ni ceniza.

Cuanto más baja es la temperatura de la cera fundida, menos contracciones se

producen en los patrones. Una cera inyectada a excesiva temperatura es demasiado fluida,

absorbe aire y, al enfriarse, puede formar pequeñas burbujas o bolsas de aire en el modelo.

La contracción permitida del 5 al 10% debe tenerse en cuenta cuando la precisión en el

tamaño es un factor determinante. En relación con la contracción, el material de


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revestimiento y el tipo de metal utilizados también son factores a tener en cuenta; ambos se

contraen ligeramente durante la fundición.

2.6.5 Elaboración de los modelos

Los modelos están sujetos al canal de colado principal por medio de unos conductos,

los cuales pueden estar integrados al modelo de cera, o se pueden unir derritiendo la cera,

y presionándolos contra dicho canal hasta que la cera solidifique y pegue. Se debe de tener

cuidado al derretir la cera ya que se pueden dañar los modelos.

Los modelos también se pueden unir por medio de fijadores. Esto se usa generalmente

para piezas grandes y de formas complejas que requieren varios conductos. Estos fijadores

pueden ser de plástico, cera, madera o cualquier material apropiado.

2.7 Material de revestimiento

La obtención de un molde de material refractario, cubriendo los modelos de cera,

recibe el nombre de revestido y el material utilizado revestimiento.

El significado literal de la palabra “revestir” es rodear, envolver o embeber. Esto es

exactamente lo que ocurre en la fundición con revestimiento, en la que el material del

molde de yeso, llamado revestimiento, rodea totalmente el modelo formando un cuerpo

compacto.

La naturaleza viscosa del revestimiento, cuando se prepara como una suspensión, es

lo que posibilita la fundición de un modelo de cualquier forma concebible. En todos los

métodos de fundición en los que se emplea un modelo de cera revestido, la pieza fundida

no puede extraerse del molde sin destruirlo totalmente. En cualquiera de estos métodos

citados, el molde puede utilizarse una sola vez.


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2.7.1 Porosidad del revestimiento

Durante el proceso de fraguado, se evapora una cierta cantidad de agua sobrante que

proporciona del 10 al 15% de espacio poroso en el revestimiento por el que, más tarde,

podrán escapar los gases.

2.8 Composición del revestimiento

La composición del yeso de revestimiento consiste en:

- un aglutinante,

- un refractario y

- aditivos.

El revestimiento de cristobalita, más frecuentemente utilizado, se compone de:

Yeso............................... Utilizado como aglutinante.

Sílice (cristobalita)........ Propiedades altamente refractarias.

Ácido bórico............... Para el cambio térmico uniforme al eliminar la cera. El

revestimiento, al enfriarse, debería contraerse en la misma proporción que se contrae el

metal al solidificar.

Grafito....................... Utilizado para evitar la oxidación.


28

2.8.1 Aglutinante

El aglutinante que mantiene la sílice en suspensión, es yeso calcinado, un mineral

ampliamente distribuido en la naturaleza, bajo forma de sulfato de calcio hidratado

(CaS04.2H20).

Calentándolo suavemente en un autoclave, bajo presión de vapor, se transforma en

sulfato de calcio semihidratado (CaS04.1/2H2O), que es más duro y más fuerte, debido al

cambio que se opera en su estructura cristalina. El producto obtenido se comercializa bajo

el nombre de “Hydrocal”. Es el principal componente del revestimiento, formando parte de

la mezcla del mismo en un 25 al 40%.

El sulfato de cal actúa como lo que es en realidad, un astringente, ligando

rígidamente todos los componentes que forman el revestimiento. Es el ingrediente principal

del revestimiento destinado a la fundición dental, utilizado porque después de calcinado

pierde el 75% de su contenido de agua, por lo que requiere menos agua y sus cristales

alargados son densos, lo que lo hace, aproximadamente, unas dos veces y media más

resistente que el yeso ordinario.

2.8.2 Sílice

La harina de sílice es un material refractario infusible, es decir, que no se funde ni se

transforma con el calor de los metales fundidos en su interior.

El dióxido de sílice (Si02), que se usa como sílice, es arena de playa de tipo corriente,

finamente triturada. La sílice actúa como estabilizador del revestimiento, tanto al calentarse

durante el quemado como cuando se enfría, inmediatamente después de la fundición.

La dilatación de la sílice, unida a la del yeso, compensa las contracciones de los

patrones de cera y/o cualquier encogimiento del metal durante su solidificación en el

molde. La dilatación y la contracción de moldes y modelos son un problema crítico solo en

aquellos casos que requieren tolerancias definidas.

Las cuatro formas alotrópicas de la sílice, utilizadas para el revestimiento de fundición,

son:

- cuarzo,

- arena de cuarzo,


29

- tridimita, y

- cristobalita.

2.8.3 Refractario

El refractario es cuarzo y cristobalita, formas cristalinas de la sílice. La cristobalita,

en su forma pura, sin otros aditivos, es utilizada como material de revestimiento.

La cristobalita (SiO4) es un mineral de origen volcánico, llamado así porque procede del

cerro de San Cristóbal, en Pachuca, México; es un sílice, en octaedros blancos. Está

asociada con la tridimita y, actualmente, se prepara por calcinación selectiva del cuarzo a

temperaturas comprendidas entre 1470 y 1670°C. Cuando la sílice se enfría queda la

cristobalita.

Permite que el revestimiento pueda calentarse sin que, al dilatarse, se agriete o se

rompa. La expansión térmica del revestimiento de cristobalita es de, aproximadamente, el

1.2%, desde la temperatura ambiente a 400°C, y del 1.4% a 700°C. Este porcentaje de

dilatación es suficiente para compensar el encogimiento normal de los metales fundidos

cuando se enfrían, de forma que las piezas obtenidas en la fundición son casi del mismo

tamaño que los correspondientes modelos de cera.

El revestimiento de cristobalita presenta una resistencia a la comprensión de unos

105 kgs/cm2, que resulta suficiente para resistir el choque del material fundido, siempre que

haya sido mezclado adecuadamente y llevado a la temperatura de fundición correcta.

Por este motivo, aunque el molde se dilate durante el quemado de la cera, queda

compensado por la contracción del metal fundido durante la solidificación.


30

2.8.4 Aditivos

Los modificadores o aditivos se añaden para:

- Reducir la dilatación de yeso.

- Ajustar el tiempo de fraguado.

- Controlar la viscosidad.

- Aumentar la resistencia, y

- Evitar la contracción cuando se calienta muy por encima de los 300°C.

2.8.5 Condiciones de conservación

El yeso de revestimiento debe mantenerse seco. antes y después de utilizarlo, para

evitar que absorba humedad del aire, lo cual, modificaría sus características de trabajo

proporcionando:

- superficies rugosas a las piezas fundidas;

- fisuras en el molde, que se transformarían en rebabas en las piezas fundidas;

- fundiciones totalmente defectuosas.

El yeso para revestimiento debe almacenarse dentro de una bolsa de plástico,

cerrada, que a su vez debe mantenerse en el interior de un tambor cerrado herméticamente.

2.9 Vacío

Es posible obtener un revestimiento libre de aire, lo cual es siempre deseable, si

todo el aire y gases son extraídos cuando se trabaja con la espátula y después se decanta en

el cilindro. Las oclusiones de aire no pueden eliminarse totalmente por vibración.

Para eliminar el aire de forma efectiva, es necesario conseguir una presión negativa

en la escala de mercurio, al nivel del mar, de 685 a 736 mm. Los aparatos para aplicar el

vacío al revestimiento, están equipados con instrumentos capaces de registrar estas

presiones.

Capítulo 3 PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

31

3 PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

3.1 Metodología de Fundición

A grandes rasgos es el siguiente:

Cada patrón procede de un molde de aluminio, en el cual se copia el modelo de la pieza.

Se inyecta la cera fundida en el interior del molde.

Se prepara la superficie de las copias de cera, tratando de eliminar marcas o defectos

pequeños de la superficie.

Se forma el árbol, en el cual se van adherir las piezas.

Se prepara la mezcla para formar el revestimiento

Se desairea la mezcla aplicándole vacío.

Se vierte el revestimiento sobre el árbol hasta cubrirlo totalmente, y de nuevo se le

aplica vacío.

Cuando el revestimiento ha fraguado, se introduce el recipiente en el horno hasta que la

totalidad de la cera fluya a través del canal previamente dispuesto.

La cera, al abandonar el molde, deja una cavidad que corresponde exactamente a la

forma del modelo original.

El molde es sometido a un proceso de sinterizado.

Una vez sinterizado, se enfría el molde en el horno hasta una temperatura ligeramente

superior a la establecida para la colada.

Se extrae el molde del horno y se coloca en la máquina centrifugadora.

Se inicia la centrifugación y simultáneamente se vierte el aluminio fundido en la

cavidad.

Cuando el aluminio vertido ha solidificado, se detiene la centrifugación y se enfría el

molde sumergiéndolo en agua. Esto fractura y disuelve el revestimiento, lo cual permite

la extracción de las piezas fundidas.

Se eliminan los canales de bebederos y se procede a los acabados finales como la

rectificación de los diámetros (si es necesario), tallado de roscas, etc..


32

3.1.1 Preparación del molde de Aluminio para fabricación de modelos

El molde para la preparación del patrón de cera, estaba previamente diseñado, al

mismo se le hizo una pequeña modificación la cual consistió en la aplicación de un canal

para la sección del bebedero, con el fin de permitir el flujo del aluminio directamente a la

cavidad del molde de yeso con mayor facilidad.

3.1.2 Preparación del patrón de cera

3.1.2.1 Temperatura de Inyección

La temperatura de inyección de la cera varía en función del tipo de cera utilizada. La

cera se inyecta a una temperatura ligeramente superior a su punto de fusión para mantenerla

constantemente fluida, por lo general a una temperatura lo más baja posible. Si la cera se

calienta demasiado, se alteraran sus propiedades y resulta muy quebradiza al separarla del

molde.

La temperatura de inyección de la cera utilizada se controló en los 80 °C con una

variación de 5 °C.

3.1.2.2 Presión de Inyección

Para forzar la entrada de la cera en el molde de aluminio, se utiliza presión de aire.

Esta presión debe ser lo más baja posible para llenar de cera las cavidades de un molde, con

la menor turbulencia posible. En nuestro caso se usó una presión de unos 20 Psi a 25 Psi. Si

se aplica demasiada presión, se corre el riesgo de inyectar burbujas de aire en la cera. Por el

contrario, si es demasiado débil, al pasar al estado sólido se produce una contracción

excesiva, característica en las ceras.

Variando las condiciones de presión y temperatura de la cera, también varían los

resultados.

3.1.2.3 Inyección de la cera

Se limpia la depresión del bebedero del molde que entra en contacto con la boquilla

del inyector de cera.


33

El conjunto, con la apertura del bebedero delante, se presiona contra la boquilla de

la inyectora de modo que se acoplen perfectamente. La cera se inyecta automáticamente en

la cavidad del molde, presionando el molde sobre la boquilla de la inyectora. Esta

operación se lleva a cabo en unos segundos. Se sostiene el molde con la entrada sobre la

válvula de inyección, durante aproximadamente 15 segundos, manteniendo la presión en el

conjunto mientras solidifica la cera, seguidamente se deja en reposo.

3.1.2.4 Extracción del patrón de cera

La cera debe separarse del molde justo en el momento que endurece. Si el molde se

abre antes de tiempo, la cera de desgarra, si se abre demasiado tarde, la cera se vuelve

quebradiza y se rompe.

FIG. 3.1 Molde y Modelo de Cera.

3.1.2.5 Limpieza de la cera de modelar

La cera de modelar utilizada para hacer los moldes refractarios, se contamina

fácilmente de pequeñas partículas metálicas y de yeso. Debe tomarse en cuenta que,

cualquier rastro de polvo o partícula que pueda haber quedado adherido al patrón de cera,

se reproducirá en la pieza fundida. Así pues, estas impurezas, deben eliminarse antes de

proceder a la inserción de la cera en la base de alimentación.


34

3.1.2.6 Correcciones en las ceras inyectadas

Normalmente, los pequeños defectos superficiales pueden corregirse. El caso más

común es una línea en relieve presente en los patrones de cera, ocasionada por la línea de

partición de las dos mitades del molde. Esta línea puede eliminarse cortándola a ras con un

bisturí..

Otro defecto que se evidencia en el patrón de cera es la contracción, en los casos

que este defecto se presente, el mismo se elimina suministrando cera fundida sobre la

superficie contraída y repasándola posteriormente con una lija muy suave.

El patrón, generalmente, dispondrá de un apéndice que sirve como canal de colada

para la inyección de la cera que igualmente se elimina con un bisturí.

3.1.2.7 Preparación del Árbol de Cera

Para la elaboración del árbol de cera, se preparó un molde hecho a base de silicona

para llenado por gravedad. Básicamente se trata de un cilindro, diseñado de manera que su

volumen fuera el equivalente al volumen de 12 rótulas de cera, con 3 anillos para adherir

los modelos de cera; estos anillos a su vez generarán en el molde refractario una especie de

vertedero para el aluminio durante la colada.

FIG 3.2 Molde de silicona FIG 3.3 Montaje del Arbol


35

Después de tener los patrones de cera previamente dispuestos, se procede a

adherirlos al árbol por medio de un cautín, colocándolos en forma simétrica alrededor del

árbol, como se muestra en la figura.

3.1.3 Los cilindros y la preparación del refractario

Después de unir los modelos o patrones de cera a las bases de alimentación del

árbol, el cilindro, se encaja en la hendidura de la correspondiente base de goma, de forma

que el recubrimiento pueda verterse dentro de los mismos sin que se derrame.

3.1.3.1 Holgura entre el modelo y las paredes del cilindro

Cuando se elige el cilindro debe tenerse en cuenta que, entre sus paredes interiores y

los patrones de cera conectados a la base, debe quedar un espacio necesario para asegurar la

presencia de una cantidad suficiente de revestimiento que soporte los esfuerzos generados

durante el quemado de la cera y la presión del aluminio fundido, provocada por la fuerza

centrífuga.

3.1.3.2 Espesor del yeso en la parte superior del modelo

Entre la parte superior de las ceras y la del revestimiento debe quedar un espesor de

por lo menos unos 15 mm. Si el grosor de la capa de revestimiento es superior al indicado

dificultará que, a través de la misma, puedan escapar los gases y, si es inferior, se corre el

riesgo de que no resistan el impacto del metal fundido.

3.1.3.3 Preparación de la mezcla de revestimiento

El revestimiento en polvo se mezcla con agua. El revestimiento utilizado fue el

Satin Cast de la marca Kerr. La proporción agua-revestimiento en polvo, utilizada al

mezclar la suspensión de revestimiento, es muy importante porque determina las

propiedades físicas y el tiempo de fraguado del revestimiento. Todos los fabricantes de

revestimiento especifican la proporción agua-revestimiento en polvo que debe utilizarse


36

con su producto. Generalmente se emplean la relación 100:40. En nuestro caso se utilizaron

1500 gr de refractario y 619gr de agua.

Cualquier desviación de las proporciones sugeridas dará por resultado cambios en el

grado de dilatación y, por lo tanto, un cambio en las dimensiones de las piezas fundidas y

posiblemente un revestimiento débil que podría agrietarse.

El exceso de agua debilita la resistencia del revestimiento fraguado o puede hacer

que aparezcan marcas de agua en la pieza fundida.

Una suspensión demasiado espesa, debido a un exceso de revestimiento, puede

hacer mal contacto con la superficie del modelo o que el cilindro no se llene

adecuadamente.

Para la preparación del revestimiento, se mide el agua y se vierte en un tazón para

mezclas, preferiblemente de caucho. Se mide la cantidad necesaria de revestimiento. Debe

prepararse una cantidad algo superior a la que se estime necesaria para llenar el cilindro, ya

que todo el revestimiento que se utilice debe haber sido preparado al mismo tiempo.

3.1.3.4 Evitar las burbujas de aire

Las burbujas de aire en la mezcla tienden a adherirse a la superficie del modelo de

cera y transformarse en cavidades en el molde y en protuberancias en las piezas fundidas.

Cuando se sigue el procedimiento correcto, el revestimiento se combina suavemente con el

agua, sin formar grumos.

3.1.3.5 Tiempo de fraguado

La mezcla del revestimiento debe hacerse muy cuidadosamente para disponer del

máximo tiempo de trabajo antes de que fragüe y que adquiera la consistencia adecuada para

asegurar la precisión.

En la mayoría de los casos, este tiempo de trabajo útil, suele ser de unos 10 minutos,

que pueden dividirse como sigue:

- 3 a 4 minutos para mezclar el revestimiento;

- 2 a 3 minutos para eliminar las burbujas de la suspensión;

- 30 segundos para vaciar la suspensión en el cilindro hasta un 60 – 70% del nivel total;


37

- 1 minuto y 30 segundos para eliminar las burbujas del cilindro;

- ½ minuto para completar el llenado del cilindro haciendo llegar la suspensión hasta la

parte superior;

- 1 minuto 30 segundos para que el revestimiento se asiente.

Esto significa que desde el momento en que el revestimiento se mezcla, hasta que

empieza a endurecer transcurren unos 9 minutos aproximadamente.

- Si se emplea menos tiempo del necesario, el agua puede separarse del revestimiento.

- Si el tiempo es demasiado largo, el revestimiento endurecerá antes de que pueda cubrir

adecuadamente los patrones de cera.

3.1.3.6 Aplicación de Vacío a la Mezcla del Yeso

Para evacuar adecuadamente el aire del revestimiento a las condiciones del taller, se

requiere un vacío de 24” Hg.

La mezcla contenida en el recipiente se somete al vacío. Las burbujas ascienden a la

superficie, la mezcla sube, formando espuma, y se “abre”. Esto toma de 30 a 90 segundos.

Diez segundos después de que el revestimiento se desplome (rompa), debe

desconectarse la bomba de vacío y dejar que el aire penetre de nuevo, lentamente, para

evitar que entre con demasiada fuerza y ejerza una presión excesiva sobre la mezcla.

FIG. 3.4 Aplicación de Vacío a la Mezcla.


38

3.1.3.7 Llenado del cilindro

El llenado del cilindro debe efectuarse con la menor turbulencia posible,

inclinándolo de forma que la mezcla espesa de revestimiento pueda deslizarse por los lados

del cilindro, hacia la parte baja del mismo, y vaya subiendo hasta cubrir el modelo,

evitando la formación de burbujas de aire.

Si se vacía la suspensión directamente, sin dejar que se deslice por los lados, pueden

quedar trampas de aire en puntos delicados que, eventualmente, podrían dar lugar a

defectos en las piezas fundidas.

3.1.3.8 Aplicación del vacío al cilindro

Se coloca cuidadosamente el cilindro sobre la plataforma de la cámara de vacío y se

pone la bomba en marcha, durante 1 ó 2 minutos; en el transcurso de este tiempo, el

revestimiento subirá de nuevo, violentamente, y sedimentará para un nuevo burbujeo suave.

Al reducir la presión en el interior de la campana de vacío, el aire contenido en el

revestimiento, por si mismo, ejerce una presión suficiente para forzar su salida. Sin

embargo, gran parte del aire es eliminado a través de la presión proporcionada por la

neblina de vapor de agua propiciada por la acción de vacío, ya que, en estas condiciones, a

temperatura ambiente, el agua llega a evaporarse. La acción de evaporación ayuda a

obtener la total eliminación del aire.

FIG 3.5 Aplicación de Vacío al cilindro


39

De este modo, las burbujas de vapor de agua, que en su camino ascendente entran

en contacto con la superficie del modelo de cera hasta, arrastrarán consigo otras burbujas de

aire que encuentren adheridas a ella o en su trayectoria hacia la superficie.

Durante la aplicación del vacío, e inmediatamente después, se sacude el cilindro

para ayudar al revestimiento a que fluya recubriendo totalmente los patrones de cera

contenidos en el mismo. No debe permitirse que la mezcla hierva o burbujee durante más

de 10 segundos. Para llevar a cabo esta operación, deberían emplearse unos 90 segundos.

Finalmente, debe reducirse el vacío y dejar que penetre el aire para que comprima

las burbujas de vapor de agua. La presión atmosférica obliga a que el revestimiento se

comprima contra el modelo y se vuelva más denso.

3.1.4 Proceso de Sinterizado

3.1.4.1 Control de Temperatura en el Proceso de Sinterizado

- Durante el ciclo de quemado debe evitarse abrir la puerta del horno porque esto

provocaría un descenso brusco de la temperatura. Este descenso rápido de temperatura

podría provocar grietas en el revestimiento, además el molde podría agrietarse debido a la

contracción del metal del cilindro.

- Las variaciones de temperatura deben controlarse, programándolas, para evitar

que el revestimiento se agriete.

- El cilindro no debe sacarse del horno inmediatamente después de alcanzar la

temperatura deseada. Esta es la temperatura del horno y no la del interior de la masa del

cilindro revestido. El horno debe mantenerse a la temperatura requerida en cada etapa, por

lo menos durante 1 hora, para permitir que el interior del cilindro iguale a la temperatura

del horno.

- Si es necesario retrasar la fundición, el cilindro puede mantenerse en el horno,

durante algún tiempo, a la temperatura de colada.


40

- Si a continuación del proceso de quemado sigue un lapso de tiempo en el que no

se protege el molde en una atmósfera húmeda, éste se agrietará y, al recalentarlo

para admitir el metal fundido, las grietas se abrirán y las piezas fundidas aparecerán

con rebabas y salientes.

3.1.4.2 Remoción de la cera

El cilindro, con el revestimiento y el modelo o los patrones de cera en su interior, se

introducen en el horno, con el extremo que muestra la cera en la parte inferior. A una

temperatura de 150°C por unas 3 horas.

Para sostener el cilindro dentro del horno se utilizó una bandeja con una rejilla para

recoger la cera fundida y la humedad que pueda salir de los mismos.

Para retirar el cilindro del horno se utilizaron unas tenazas largas y guantes con

recubrimiento de amianto.

3.1.4.3 Ciclo de sinterizado

El curado o sinterizado, consiste en el tratamiento térmico del compuesto de yeso

para aumentar su resistencia en caliente, su refractariedad y hacerlo insoluble al metal

fundido.

Para lograr esto, se siguió un ciclo de sinterizado que se divide en cinco niveles de

temperatura.

- El cilindro se introduce en el horno, a temperatura ambiente.

- La temperatura va aumentando, lentamente, en varias etapas, hasta alcanzar la

temperatura máxima de 750 ºC. De la siguiente manera:

Temperatura (ºC) 150 300 450 600 750

Tiempo (Hrs.) 3 1 1 1 1

Tabla 3.1 Control de los Niveles de Temperatura

- Queda estabilizada en el punto máximo, donde se mantiene durante una hora.


41

- Se desciende a la temperatura de colada (560ºC), y se estabiliza.

En caso necesario, la temperatura de colada puede mantenerse durante algunas horas

sin dañar el revestimiento.

3.1.4.4 Color del revestimiento en la zona de alimentación

Puede saberse si la acción de quemado se ha completado, simplemente observando

el color del revestimiento en la zona de alimentación.

Si en la superficie del revestimiento, alrededor de la abertura de alimentación, se

aprecian manchas de color gris oscuro y en el agujero de alimentación aparece una llama,

esto indicará que la acción de quemado ha sido insuficiente.

Por el contrario, cuando el revestimiento adquiere un color bastante claro, sin que

salga ninguna llama por el agujero del alimentador, es que el quemado ha sido completo.

Si no se elimina totalmente la cera, y el residuo de carbón tapa los poros del

revestimiento, el aire desplazado y los gases que se forman al entrar el metal fundido en el

molde no podrán escapar a través del revestimiento y harán que éste se agriete o que quede

atrapado en la pieza.

3.1.4.5 Descenso de la temperatura del cilindro

Una vez alcanzados los 750 °C, y después de mantener esta temperatura durante el

tiempo suficiente para asegurar el sinterizado completo y la pirolización de los residuos de

cera, se deja bajar lentamente la temperatura del horno hasta llegar a la temperatura de

fundición, que deberá mantenerse estabilizada, hasta finalizar el proceso.

El cilindro, luego de ser sometido al proceso de sinterizado, queda listo para recibir

el metal fundido. A partir del momento en que se saca el cilindro del horno y se coloca en

el cabezal de la centrífuga, transcurre un intervalo de tiempo durante el cual se producen

pérdidas de calor, por lo cual debe retirarse el cilindro del horno a una temperatura 20°C

mayor a la de colada.


42

3.1.5 Preparación de la centrifugadora

Previamente se adaptó un motor de 1.8 hp con un sistema de poleas que hacen girar

la máquina a 986 rpm, para obtener mayor fuerza centrifuga, y se colocó un dispositivo de

centrado instantáneo del cilindro en el recinto de la máquina con el fin de disminuir la

excentricidad y el tiempo de colocación del cilindro que contiene el molde refractario.

FIG. 3.6 Lectura de temperatura del molde refractario

3.1.6 Colada del aluminio

En el momento en que se inicia el último nivel de temperatura (750°C) en el proceso

de sinterizado del molde refractario, se introduce el crisol con el aluminio en el horno junto

al molde donde debe transcurrir una hora.

Se retira el molde de este horno y se coloca en otro estabilizado a 400°C, para que el

molde baje la temperatura lentamente hasta el punto de colada (560°C) . Justo en este

instante se extrae el crisol del horno para retirar la escoria y aplicar el desgasificante

(hexacloroetano), y se introduce de nuevo al horno a 720°C dejando un tiempo prudencial

de por lo menos 15 minutos para que estabilice la temperatura.

Después de este último tiempo, se retira el molde del horno, se coloca en el recinto de la

centrifugadora hasta que alcance la temperatura de colada momento en el cual se vierte el

aluminio, encendiendo simultáneamente la centrifugadora hasta que solidifique el aluminio

por unos 15 minutos aproximadamente, seguido esto se retira el molde del recinto y se

sumerge lentamente en agua, para destruir el molde y obtener las piezas.


43

3.2 Ensayos

3.2.1 Rugosidad

El parámetro de Curva utilizado para determinar la rugosidad de las probetas

ensayadas, las cuales fueron escogidas al azar, fue Ra.

Ra: Es el promedio aritmético de los alejamientos del perfil de rugosidad desde la

línea media dentro de la longitud de evaluación.

Esta medición se realizó con un rugosímetro, el cual obtenía el promedio Ra

directamente al realizar un recorrido por la superficie de la cara de la probeta. Por cada lado

de la probeta se tomaron tres mediciones en diferentes direcciones.

3.2.3 Compresión axial al montaje de rótulas

Este tipo de prueba se realiza para estudiar el comportamiento de todos los

componentes de los fijadores externos. Consiste en aplicar una carga de compresión axial a

la estructura que sustituye al hueso fracturado con pérdida ósea, simulando los diferentes

esfuerzos a los cuales van a ser sometidos usualmente las rótulas, como se muestra en la

figura como indica el ensayo del fijador externo Oxford. El análisis del fijador externo

cargado en compresión esta basado sobre la suposición que toda la flexibilidad esta

concentrada en los clavos de Schanz, con el soporte, sujetadores y huesos considerados

completamente rígidos. Para la ejecución de este ensayo se efectúa un montaje simulando la

posición de trabajo típica del tutor externo al cual pertenece la rótula fabricada. Se aplica

carga y descarga progresivamente con incrementos de 10 en 10 Kgf. y se verifica si en cada

una de las descargas existe deformación plástica luego de la recuperación.


44

FIG. 3.7 Fijador externo Oxford instalado en un hueso fracturado

b: Tubo soporte.

c: rótulas.

P, Q, R, S: Clavos de Schanz..

B: distancia entre clavos, de igual segmento ( 33mm ).

C: distancia entre clavos, en segmentos adyacentes a la fractura ( 102mm ).

F: fuerza aplicada ( N ).

Fp,...Fs: Fuerzas actuantes en cada una de las rótulas.

L: Longitud efectiva del clavo ( 55mm ).

M: Momentos actuantes sobre el clavo.

Z: Carga axial en cada rótula.


45

3.2.3 Cambios dimensionales durante el proceso

Con la finalidad de determinar los cambios dimensionales que ocurren durante todo

el proceso, se tomaron las dimensiones mas representativas de los patrones de cera y de las

piezas finales y se compararon con las dimensiones del molde.

Las dimensiones representativas fueron las de las dos secciones transversales y el

agujero pasante principal, tomando cuidado de la ubicación relativa de cada piezas en el

árbol para su seguimiento.

3.2.4 Porosidad

Para esta prueba se preparan cuatro muestras, en dos cortes transversales paralelos

a dos piezas. En el analizador de imágenes se examinan dichos cortes para observar la

presencia de poros producidos bien sea por contracción del metal, aire atrapado en el

interior de éste o una combinación de ambos efectos.

3.2.5 Ensayo de dureza

Cada una de las probetas ensayadas en el analizador de imágenes se someten al

ensayo de dureza Vickers en 4 puntos distintos.

Capítulo 4 EQUIPOS CONSTRUIDOS

46

4 EQUIPOS CONSTRUIDOS

Para la fabricación de los moldes para las piezas de aluminio se construyó una

inyectora de cera y una cámara de vacío.

4.1 Inyectora de cera

Consiste básicamente en un cilindro de aluminio que tres resistencias cilíndricas

insertadas estratégicamente dentro del espesor de sus paredes, y conectadas en paralelo a un

termostato, que percibe la temperatura del cilindro por medio de un bulbo que esta adherido

a la pared exterior del cilindro; y un LED indicador de energización de las resistencias. Este

cilindró contiene en la parte superior, una tapa hermética y removible para introducir la

cera, además de una válvula de suministro y alivio de presión por medio de aire, esta

presión se puede medir por medio de un manómetro conectado a la pared del cilindro. Este

cilindro se encuentra apoyado sobre una base de acero, la cual posee dos agujeros, uno a

cada lado para fijar la inyectora a la mesa de trabajo. El Cilindro a su vez esta aislado

térmicamente con lana de vidrio y una delgada lámina de acero para evitar las pérdidas de

calor, y de la misma manera, proteger al usuario de las temperaturas de trabajo.

Esta provista de una válvula que se activa oprimiéndola con el molde metálico para

cera. Internamente esta válvula posee una extensión que toma la cera desde el fondo del

contenedor de cera fundida.

4.1.1 Funcionamiento de la inyectora de cera

a) Se enciende ajustando el control del termostato a 80°C la temperatura óptima de

trabajo para nuestra cera, con 45 minutos como mínimo antes de comenzar a usar (

este tiempo depende de la cantidad de cera que se tenga en el contenedor).

b) Se verifica que los niveles de cera estén dentro de los niveles de trabajo. El nivel más

bajo es en donde termina la extensión interior de la válvula de inyección, y el nivel

más alto es justo por debajo de la conexión del manómetro, este volumen

“inutilizable” se justifica con la cámara de presión de aire que debe existir dentro del


47

cilindro, para que la cera líquida salga con la presión manométrica de trabajo

requerida.

c) Una vez alcanzada la temperatura, se ajusta la tapa con los tornillos dispuestos para

esta función y se suministra aire por medio de la válvula de presión dispuesta en la

tapa con una bomba neumática manual (del tipo que se utilizan para bicicletas). Se

suministra aire hasta que se lee por medio del manómetro la presión que se requiere;

para nuestro caso es de unos 22 PSI.

d) Para el llenado de los moldes, se sujeta el cargador o molde contra la válvula de

inyección y se empuja contra la misma hasta lograr el llenado del molde. Pasado unos

segundos se retira.

e) Se debe chequear la lectura del manómetro después de varias inyecciones, ya que

debido un cambios del volumen de aire sobre la cera, producen caídas de presión.

FIG 4.1 Inyectora de Cera

4.1.2 Características de la inyectora

Temperatura ambiente hasta 130° C.

Capacidad para cera de 0,439 lts.

Calienta la cera contenida en 45 minutos (80°C).

Rango de presión de aire de 0-30 PSI.

Trabaja con corriente continua de 115 voltios.


48

4.2 Cámara de Vacío

Para lograr el desaireado de la mezcla se construyó una Cámara de Vacío, con una

base de acrílicos transparentes en donde se realizó una ranura circular para colocar el

o_ring que debe existir entre la campana y la base, Se construyo una válvula para aspirar el

aire dentro de la cámara, conectada por medio de una manguera a un vacuómetro y seguido

a una válvula de cierre, en donde se conecta a una bomba de vacío.

FIG. 4.2 Cámara de Vacío

4.2.1 Funcionamiento

a) Conectar el extremo de la manguera a la bomba de vacío.

b) Coloque la mezcla de refractario dentro del circulo definido para la campana.

c) Coloque la campana, teniendo en cuenta que debe posarse sobre todo el o-ring

circular para lograr hermeticidad.

d) Encienda la bomba de vacío hasta lograr la presión manométrica requerida y cierre

la válvula, apague y desconecte la bomba, y mantenga por el tiempo necesario el vacío.

e) Finalmente se abre la válvula lentamente para que no entre el aire a la cámara con

mucha velocidad, esto se realiza con la finalidad que la mezcla no sufra una presión

excesiva.


49

4.2.2 Características de la Cámara de Vacío

Soporta presiones de vacío hasta 30” Hg.

Pueden introducirse recipiente hasta de 8 pulgadas de ancho o hasta 7 pulgadas

de alto.

Contiene una válvula de paso, con la que se puede variar la velocidad de entrada

del aire.

Construida a base de láminas acrílicas la cual la hace liviana y fácil de

manipular.

Capítulo 5 ANALISIS DE COSTOS

50

5 ANÁLISIS DE COSTOS

En este capítulo se realiza un análisis de costo que permite evaluar y comparar la

fabricación de piezas utilizando este proceso con el proceso actual de fabricación

exclusivamente por mecanizado.

5.1 Inversión Inicial

2 hornos extractor de cera = 2 unid x 990unid

$ x 691,25

$

Bs x 1,35 imp = 1.847.711Bs.

Inyectora de cera = 798 $ x 691,25$

Bs x 1,35 imp = 744.683 Bs

Cámara de Vacio = 1170 $ x 691,25$

Bs x 1,35 imp = 1.091.829 Bs

Máquina centrifugadora = 800.000 Bs

Horno para fundir metal = 1.350 $ x 691,25$

Bs x 1,35 imp = 1.259.803 Bs

Molde para modelo = 300.000 Bs

Alquiler de local= 400.000 mes

Bs

Accesorios para fundición = 200.000 Bs

8 cilindros = 8 cil x 15,75 cil

$ x 691,25

$

Bs x 1.35 imp = 117.581 Bs

8 gomas para cilindros = 8 gomas x 4,90 goma

$ x 691,25

$

Bs x 1.35 imp = 36.581 Bs


51

5.2 Costo Fijo Anual ( CFA)

CFA = Util_Vida_de_Años

Ininicial_Inversión CFAT = CFA10 + CFA2 + CFA1

CFA = (1.847.711 + 744.683 + 1.091.829 + 800.000 + 1.259.803 )Bs / 10 años

+ ( 300.000 + 200.000 + 117.581 + 36.581 )Bs / 2años + 400.000 mes

Bsx 12

año

mes=

CFA = 5.701.483 año

Bs

5.3 Costo variable anual ( CVA )

Personal ( 1 ) TSU = 300.000 mes

Bs x 12

año

mes x 1,6 = 5.760.000

año

Bs

( 1 ) Obrero = 160.300 mes

Bs x 12

año

mes x 1,6 = 3.072.00

año

Bs

Vida Util

( 10 años )

Horno para fundir metal

Horno para moldes

Inyectora de cera

Cámara de vacío

Centrifugación

Vida Util

( 2 años )

Cilindros

Gomas

Accesorios de

Fundición

Molde para modelo


52

Aluminio = 25001000Kg

$ x 691,25

$

Bs x 1

1000gr

Kg x 130

piezas18

gr x 144

dia

piezas x

240año

día = 431.340

año

Bs

Refractario = 79,75100lb

$ x 2,2

1000gr

lb x 1500

molde

gr x 691,25

$

Bs x 8

dia

molde x

240año

dia = 3.492.858

año

Bs

Cera = 6,90100lb

$ x 691,25

$

Bs x 2,2

1000gr

lb x

piezas 18

51,44gr x 144

dia

piezas x 240

año

día x

1,3 = 1.347.263 año

Bs

Energía Eléctrica = 20 Kw x 8dia

horas x 22

mes

día x 41,97 Kw-h x 12

año

mes =

1.772.812año

Bs

Otros Costos Variables:

1.800.000año

Bs

CVA = ( 5.760.000 + 3.072.000 + 431.340 + 3.492.858 + 1.347.263 +

1.772.812+1.800.000 ) año

Bs

CVA = 17.676.273 año

Bs

5.4 Costo Total Anual

CTA = CFA +CVA = 5.701.483 año

Bs + 17.676.273

año

Bs = 23.377.756

año

Bs


53

Costo unitario de las piezas = rativoxFadministaño_al_producidas_Piezas

anual_Total_Costo

Piezas producidas al año = 8 dia

moldes x 18

molde

piezas x 240

año

dia = 34.560

año

piezas

Costo Unitario de las piezas =

año

piezas

año

Bs

34560

756.377.23 x 1,20 = 809,63

pieza

Bs

Tipo de Fabricación Costo Unitario ( Bs )

Fundición (optimizada)

+ Mecanizado y acabado

809,63

+2.500,00

Total Fundición 3.309,63

Maquinada 9.500,00

Tabla 5.1 Comparación de costos

Capítulo 6 ANALISIS DE RESULTADOS

54

6 ANÁLISIS DE RESULTADOS

6.1. Análisis del proceso de fundición

A continuación se muestran los resultados obtenidos bajo diferentes parámetros de

colada durante el desarrollo de la metodología aplicada en el proceso de fundición.

N de

colada

Temperatura del

molde

(C)

Temperatura del

metal

(C)

Tiempo de

centrifugado

(min)

Número de

rotulas

1 550 * 730 * 5 ** 4

2 550 * 740 * 5 ** 8

3 560 * 740 * 5 8

4 560 * 730 * 5 8

5 570 720 10 10

6 580 730 10 10

7 540 710 10 15

8 710 720 10 18

9 700 720 10 18

10 560 710 15 18

11 520 700 20 18

12 520 700 15 18

Tabla 6.1. Parámetros utilizados en el proceso de fundición

* Temperatura del ambiente del horno

** Colada efectuada con canal de colada de menor tamaño

Los resultados obtenidos demuestran que el control de la temperatura del molde

refractario y del aluminio son factores claves para obtener piezas de óptima calidad.

Se verificó que las rótulas fabricadas dentro del rango de temperatura, tanto para el

molde refractario (520 –530 C), como para el vertido del aluminio (690-710 C), se

obtiene una excelente copia de detalles y buen acabado superficial.

El incremento en la fuerza centrifuga trae como consecuencia que el canal de colada

(bebedero) pueda ser de menor sección.


55

El tiempo de centrifugado fue estimado de tal forma que el aluminio estuviese

totalmente solidificado para el momento de rotura del molde refractario. Para ello fue

necesario esperar un tiempo mínimo de 15 minutos debido al aumento del número de

rótulas por colada.

El número de revoluciones (986 rpm) se mantuvo constante durante todas las

coladas realizadas.

Para obtener el total de rótulas deseadas, fue necesario verter el aluminio de modo

continuo y simultáneamente con la centrifugación. El vertido del aluminio se realiza hasta

el punto en el cual todo el metal que se introduce en el molde sale de igual manera

despedido por el bebedero debido a la fuerza centrifuga.

Se logró eliminar las protuberancias (provocadas por la presencia de burbujas de

aire presente en la mezcla) adheridas a las piezas finales realizando la preparación del

refractario con la relación exacta de polvo-agua que indica el fabricante, además de

aplicarle vibración en el proceso de vacío a la mezcla del refractario. También se giraron

las rótulas de 45° respecto al eje de simetría del canal de colada, con la finalidad de facilitar

el flujo de burbujas desde el fondo del cilindro hasta la superficie cuando se está

desaireando la mezcla.

Valores altos de temperaturas tanto en el molde como en el metal para el instante de

la colada, conduce a tiempos largos de enfriamientos y provoca gran cantidad de poros en

las piezas finales, debido a que el metal líquido durante todo este tiempo absorbe gases en

el proceso de solidificación.


56

FIG. 6.1 Arbol de 18 rótulas de aluminio.

6.2 Ensayo a compresión axial al montaje de rótulas

Luego de haberle aplicado las cargas y descargas progresivas, se observó que en el

rango entre 50 y 60 Kgf. registró una falla en la resistencia a la carga; se desmontó y

seguidamente se observó que la rosca que sujeta la grapa mediante un tornillo en una de las

rótulas cedió; esta rosca no soportó debido a que el diámetro efectivo para esta rosca no era

suficiente. En las rótulas sin maquinar se pudo comprobar que el diámetro para estas roscas

es más grande del recomendado, por consiguiente al maquinar deja una penetración de

rosca deficiente como para soportar cargas aún mayores, sin embargo es de notar que el

ensayo patrón del Fijador Externo Oxford es sometida sólo hasta 40 Kgf, lo cual nos lleva a

decir que una vez corregido este detalle de diámetro, tanto las rótulas como sus respectivas

coronas soportarán cargas superiores a 60 Kgf. en compresión axial.


57

FIG. 6.2 Montaje de las Rótulas

6.3 Ensayo de dureza

A cada una de las probetas ensayadas en el analizador de imágenes, se le aplicó ensayos de

dureza Vickers, a cada probeta se le realizaron cuatro identaciones con carga de 10 Kg. Se

obtuvieron los siguientes resultados.

MUESTRA HV (10KG)

1 63,7

2 59,4

3 64,2

4 61,0

Tabla 6.2 Valores promedios de dureza obtenidos

En promedio la dureza estas probetas ensayadas están en el orden de 62,07 Hv una

desviación estándar de 2,27. Los valores obtenidos muestran que la dureza de la pieza no

varía dentro del rango obtenido. Además, estos valores se ajustan a los suministrados por la


58

ASTM para la aleación A356 tipo F (sin ser tratada térmicamente). Existe una pequeña

variación de 6% menor dureza con respecto a las obtenidas en el trabajo anterior, debido a

que aquellos ensayos de dureza se realizaron en las caras superficiales donde la fundición

posee mayor dureza que en las secciones transversales.

6.4 Rugosidad

Para este ensayo se midió la rugosidad tres veces por cada cara y finalmente se

calculó el promedio de ambas probetas, para así obtener un valor aproximado de la

rugosidad. En la siguiente tabla se muestra los resultados de cada medición.

Cara Probeta I

(m)

Promedio Desv.

Standard

Probeta II

(m)

Promedio Desv.

Standard

A

2,06 0,99

1,94 1,97 0,076 0,96 0.98 0,021

1,92 1,00

B

1,05 0,73

1,44 1,44 0,390 1,36 1,08 0,323

1,83 1,16

C

1,30 1,06

2,02 1,88 0,533 1,31 1,26 0,176

2,34 1,40

D

1,63 1,12

1,55 1,66 0.133 1,96 1,54 0,420

1,81 1,54

Tabla 6.3 Medidas obtenidas de Rugosidad


59

El promedio total de la rugosidad de ambas probetas resultó ser 1,48 m en la

desviación promedio aritmética del perfil (Ra). Este resultado fue calculado basándose en

el promedio aritmético de las medidas finales de cada probeta. Con este resultado se

evidencia un mejoramiento en el acabado superficial, comparado con los valores obtenidos

en trabajos anteriores.

6.5 Porosidad

Las imágenes observadas según el Laboratorio Nacional de Referencia de Nuevos

Materiales en áreas de campos de 3270800 m2 con un aumento de 50x fueron los

siguientes:

MUESTRA POROSIDAD (%) DESV. STANDARD

1 1,43 1,67

2 10,9 2,75

3 7,0 8,01

4 15,5 0,71

Tabla 6.4 Indices de porosidad (%) reportados.

En el analizador de imágenes se examinaron cuatro muestras de cortes planos

paralelos en dos piezas diferentes: observando la presencia de poros producidos bien sea

por contracción del metal, aire atrapado en el interior de éste o una combinación de ambos

efectos.

Los resultados arrojados por el analizador de imágenes muestran los promedios del

porcentaje de poros en la superficie de las cuatro muestras Es importante señalar que por

simple inspección visual la muestra 4 no parece que tuviese tal cantidad de poros, por lo

cual se reserva el comentario ante el índice de porosidad reportado en esta muestra.


60

6.6 Registro de dimensiones

Los valores obtenidos en cada una de las etapas del proceso se comparan con las

dimensiones originales del molde para la fabricación del modelo de cera de la siguiente

forma:

Sección I : 13,10 mms. Sección II : 12,75 mms. Diámetro : 7,50 mms.

SECCION A SECCION B DIAMETRO

Muestra Patrón Probeta Desv. Patrón Probeta Desv. Patrón Probeta Desv.

1 12,750 12,850 -0,100 12,600 12,650 -0,050 7,300 7,200 0,100

2 12,800 12,750 0,050 12,500 12,550 -0,050 7,300 7,250 0,050

3 12,850 12,750 0,100 12,650 12,700 -0,050 7,200 7,200 0,000

4 12,800 12,700 0,100 12,550 12,550 0,000 7,200 7,250 -0,050

5 12,850 12,800 0,050 12,600 12,500 0,100 7,200 7,300 -0,100

6 12,900 13,000 -0,100 12,800 12,750 0,050 7,150 7,300 -0,150

7 12,800 12,800 0,000 12,650 12,600 0,050 7,150 7,100 0,050

8 12,850 12,850 0,000 12,500 12,700 -0,200 7,250 7,300 -0,050

9 12,900 12,850 0,050 12,550 12,550 0,000 7,050 7,000 0,050

10 12,850 12,800 0,050 12,600 12,700 -0,100 7,200 7,250 -0,050

11 12,750 12,700 0,050 12,450 12,500 -0,050 7,150 7,100 0,050

12 12,900 12,650 0,250 12,600 12,550 0,050 7,050 7,000 0,050

13 12,800 12,850 -0,050 12,450 12,450 0,000 7,000 7,200 -0,200

14 12,850 12,800 0,050 12,650 12,600 0,050 7,100 7,250 -0,150

15 12,850 12,850 0,000 12,300 12,450 -0,150 7,050 7,300 -0,250

16 12,950 12,900 0,050 12,550 12,600 -0,050 7,150 7,150 0,000

17 12,850 12,800 0,050 12,550 12,700 -0,150 7,000 7,200 -0,200

18 12,850 12,850 0,000 12,600 12,550 0,050 7,050 7,200 -0,150

PROM. 12,850 12,773 0,077 12,650 12,592 0,058 7,167 7,108 0,058

Tabla 6.5 Medidas comparativas entre el patrón de cera y la probeta de aluminio.


61

En la siguiente tabla se puede observar los cambios en las secciones medidas.

Debido a que algunas de las desviaciones resultaron negativas, se puede asegurar que éstas

medidas fueron obtenidas erradamente, por lo cual para el cálculo del promedio se tomaron

sólo las desviaciones positivas, debido a que lo que realmente se espera es una contracción

entre el patrón de cera y el modelo final de aluminio. Finalmente se obtuvo un promedio de

desviación del 0,6%, lo que resulta un cambio dimensional despreciable para las

dimensiones requeridas en el modelo final.

CONCLUSIONES

62

CONCLUSIONES

Los resultados obtenidos demuestran que el proceso de fundición por centrifugado es

una solución para disminuir significativamente los costos de producción en la

elaboración de piezas metálicas susceptibles de ser fabricadas utilizando éste método.

El control de las temperaturas de vertido, como los tiempos de operación en la

centrifugación son factores de gran importancia para obtener piezas con buena

resistencia a los esfuerzos a los cuales van a ser sometidos.

Los tiempos necesarios para fundir y remover completamente la cera en el molde y

solidificar el metal durante la centrifugación han aumentado significativamente en

relación con los utilizados anteriormente. Esto es debido a que el número de piezas (la

masa de fuente calórica) se ha incrementado.

Con el aumento de la potencia en la centrifugación se puede obtener un mayor número

de piezas por colada.

Para obtener piezas con un excelente acabado superficial es necesario llevar a cabo un

severo control en todas las fases de trabajo. Las imperfecciones en los modelos de cera,

grietas en los moldes, inclusiones en el metal fundido, se reproducirán fielmente en el

producto final.

Se debe utilizar una adecuada proporción agua-revestimiento, a fin de proporcionarle al

molde refractario la resistencia necesaria para soportar cambios significativos de

temperatura, como también una buena adherencia a los patrones de cera. Igualmente

resultan importantes los tiempos empleados en la preparación de la mezcla del

refractario, en la aplicación del vacío y en el fraguado.

CONCLUSIONES

63

La presencia de poros en los procesos de fundición es un defecto difícil de controlar

debido a las muchas variantes que puedan ocasionarlos, en nuestro caso se evidencia un

aumento en el índice de porosidad demostrado en los resultados obtenidos, la causa

principal de este aumento podría ser ocasionado por el aumento del número de piezas

por colada, lo que ocasiona un incremento en el tiempo de enfriamiento del metal,

prolongando la reacción del aluminio con gases presentes en el ambiente. Además de

que se crea mucha turbulencia en el metal cuando éste es vertido sobre el molde en

centrifugación.

En todos los procesos de fundición se producen cambios en las dimensiones de las

piezas fabricadas, sin embargo este cambio resultó despreciable en relación con el

tamaño requerido de la pieza.

Después de realizada la colada la aleación de aluminio utilizada conserva su dureza

característica.

Las piezas producidas por este método de manufactura poseen la resistencia requerida a

los esfuerzos a que usualmente están sometidas.

RECOMENDACIONES

64

RECOMENDACIONES

Se recomienda aumentar el volumen del cilindro de cera que compone el racimo con la

finalidad de realizar un solo vertido antes de encender la centrifugadora, además de

modificar la garganta disminuyéndola de sección, con una pequeña conicidad, para

evitar que el metal líquido sea despedido del molde durante la centrifugación.

Debe disminuirse en el molde metálico para la cera, el diámetro del macho que produce

el agujero para el tornillo concéntrico en la cremallera, que sujeta las grapas de la

rótula; con el objetivo de que los filetes de la rosca de éste sean más efectivos.

Debe proveerse al horno donde se realiza el sinterizado de los moldes de un dispositivo

de control programable para los ciclos de elevación de temperatura correspondiente a

este proceso.

Durante la acción de quemado, los residuos de cera al ser pirolizados, arden

produciendo gases tóxicos. Por este motivo, el interior del horno debe estar protegido y

disponer de un sistema de extracción adecuado.

Para proteger el piso de horno, la superficie ideal es la que puede proporcionar una

pantalla o rejilla de gruesa de acero, con los bordes doblados para adaptarla al interior

de una bandeja de acero inoxidable refractario.

La cera procedente de los cilindros en la bandeja recolectora, debe sacarse del horno a

los 200 °C aproximadamente, o sea, antes de iniciar la pirolisis para evitar que la cera

se inflame.

RECOMENDACIONES

65

Debe diseñarse un dispositivo para inyectar el metal en el molde, con la finalidad de

evitar las turbulencias que provoca el vertido; así como las pérdidas de metal que no

caen sobre el canal de colada y salen despedido contra las paredes de la centrifugadora.

En caso de aumentar más aún el número de rótulas por colada, debe tenerse en cuenta

que deben aumentarse los tiempos empleados para fundir la cera y para la

centrifugación

APÉNDICES

66

EQUIPOS UTILIZADOS

Bomba de Vacío

Marca : Welch Scientific Company

Modelo :1402

Horno de resistencias eléctricas

Marca: Naber

Pirómetro analógico

Marca : H & B

Modelo : 97.521509

Rugosímetro

Marca: Mitutoyo

Modelo: SJ-201

Analizador de Imágenes

Marca Leco

Modelo : 301

Máquina de Ensayo Universal.

Marca: Baldwin

Durómetro Vickers

Marca : Wolpert

APÉNDICES

67

MATERIALES UTILIZADOS

Cera para modelar

Marca: Gesswein

Polvo refractario

Marca: Satin Cast 20

Desgasificante: Hexacloroetano

Borracha de silicona: para elaboración del molde del árbol

Papel de lija: 600, 1200.

Bisturí: para eliminar rebabas en los patrones de cera

ANEXOS

68

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

1. Alsina J., La Fundición a la Cera Perdida, Editorial Alsina, 1992, p. 286.

2. Alvarez Pedro, Fundición de Metales, Caracas, Venezuela, 1998, p. 291.

3. American Society for Metals, Metal Handbook Properties and Selection; Nonferrus

Alloys and Special Purpose Material, Novena Edición, USA, 1998, Volumen 2.

4. American Society for Metals, Metal Handbook Metallography and Microstructures,

Novena Edición, USA, 1988, Volumen 9.

5. American Society for Metals, Desk Edition, USA, 1985, p. 872.

6. American Society for Metals, 1997 Annual Book of ASTM Standars, USA, p. 846.

7. American Society for Metals, 1979 Annual Book of ASTM Standars part 7, USA, p.

995.

8. American Society for Metals, Metal Handbook Properties and Selection of Metals,

Octava Edición, Volumen 1.

9. Anato J., Zabala L., Estudio de la Aplicación del Proceso de Fundición de Precisión por

Centrifugado, para la Fabricación de Piezas de Uso en Tratamientos Traumatólogos,

Tesis. Caracas, U.C.V. Facultad de Ingeniería. Escuela de Ingeniería Mecánica, 1999, p.

84.

10. Bazaco M., Fabricación de Piezas de Aluminio para Aplicaciones en Traumatología por

el Proceso de Fundición de Precisión, Tesis. Caracas, U.C.V. Facultad de Ingeniería.

Escuela de Ingeniería Mecánica, 1998, p. 68.

ANEXOS

69

11. Priotti C.,. Influencia de las Variables de Solidificación en la Estructura de las

Aleaciones Al-Si. Proyecto ”Estudio de las aleaciones Al-Si”, Centro de inversión de

materiales informe N° 12, Córdoba, 1981, p. 175.

12. Flinn R., Trojan P., Materiales de Ingenieros y sus Aplicaciones, Mac Graw Hill

Latinoamericana S.A., Colombia, 1979, p. 541.

13. Guy A. G., Fundamentos de Ciencias de los Materiales, Mc Graw Hill, México, 1980,

p. 650.

14. Howard T., Fundición para Ingenieros, Continental, México, 1962, p. 460.

15. Keyser Carl, Ciencia de los Materiales para Ingeniería, Editorial Limusa Wiley S.A.,

México, 1972, p. 460.

16. Thornton P., y Colangelo V., Ciencia de los Materiales para Ingeniería, Prentice Hall

Hispanoamericana S.A., México, 1978, p. 715.

17. Titov N.D., Tecnología del Proceso de Fundición, Editorial Mir, Moscú, 1981, p. 456.

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