Universidad Politécnica Territorial de Paria

Departamento de Naval

Ingeniería Mecánica

Tema 1: Fundamentos de fundición.

Conferencias Clase Práctica Seminarios Taller Total4 1 1 2 8

Actividad docente: 2 Tiempo: 90 minutos

Conferencia 2: Esquema tecnológico de la fundición.

Objetivos:Al concluir la clase los estudiantes serán capaces de:

1. Clasificar los procesos de fundición de acuerdo al tipo de molde que se emplea en cada caso específico.

2. Describir la secuencia tecnológica para fabricar una pieza mediante fundición en moldes de arena.

3. Enumerar las exigencias que se deben cumplir al diseñar piezas para producirlas por fundición.

4. Indicar las principales aleaciones empleadas en la producción de piezas por fundición.

Contenidos: 1.4- Clasificación de los procesos de fundición. 1.5- Esquema tecnológico de los procesos de fundición en moldes de arena.1.6- Características generales de las piezas a fundir. 1.7- Aleaciones para fundición. Propiedades tecnológicas y físicas.

Medios de enseñanza: Pizarra Retroproyector

Elaborado por: Profesor Ing. Frank Gamero

IntroducciónHacer una breve rememoración de la clase anterior ubicando al estudiante en los contenidos abordados y en específico en el término fundición, las cualidades y limitaciones de este proceso, así como su origen y desarrollo.

Preguntas de evaluación 1. ¿Explique en qué consiste la fundición? 2. Mencione algunas cualidades que caracterizan a la fundición como proceso tecnológico. 3. Describa cómo se obtiene por producción una estatua de bronce.

Nexo del nuevo contenidoPara la fabricación de una estatua de un prócer fue necesario realizar una serie de operaciones tecnológicas que permitieron obtener cada pieza y luego montarlas. Para un lector que no conozca

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de ingeniería mecánica esto puede resultar pura ficción, pero para ustedes no lo puede ser ya que ahí quedaron descritas las etapas para la producción por fundición. El profesor presenta los objetivos de la clase y da a conocer los contenidos que serán abordados en la misma.

1.4- Clasificación de los procesos de fundición.

Como se planteó en la clase anterior, la fundición, es el proceso de producción de piezas metálicas a través del vertido de un metal o una aleación fundida en un molde hueco. Este proceso se puede llevar a cabo por diferentes modos.

Los procesos de fundición de metal se dividen en dos categorías de acuerdo al tipo de molde: Moldes desechables. Moldes permanentes.

En las operaciones de fundición con moldes desechables, este se destruye para remover la parte fundida.En los procesos de moldeo permanente, el molde se fabrica con metal u otro material durable que permite usarlos repetidas veces en las operaciones de fundición.

Métodos de fundición en moldes desechables.

Fundición en moldes de arena: consiste en vaciar un metal fundido en un molde de arena, dejarlo solidificar y romper después el molde para remover la fundición.

Moldeo en concha: es un proceso de fundición en el cual el molde es una concha delgada (típicamente unos 10mm) hecho de arena aglutinada con una resina termofija. Se desarrolló en Alemania durante los años cuarenta del siglo XX.

Moldeo en vacío (proceso V): utiliza un molde de arena que se mantiene unido por presión de vacío en lugar de un aglutinante químico. El término vacío se refriere a la manufactura del molde no en si a la operación de fundición.

Moldeo con poliestireno expandido: utiliza un molde de arena compactado alrededor de un patrón (plantilla) de espuma de poliestireno (poli espuma) que se vaporiza al vaciar el metal fundido dentro del molde.

Fundición por revestimiento (fundición a la cera perdida): el modelo, hecho de cera, se recubre con material refractario para fabricar el molde, después de esto, la cera se funde y evacua antes de vaciar el metal fundido.

Moldeo con yeso (moldes para fundición de yeso): son similares a los de fundición en arena, excepto que el molde está hecho de yeso (2CaSO4-H2O). Par fabricar el molde, se hace una mezcla de yeso y agua, se vacía en un modelo de plástico o de metal en una caja de moldeo y se deja fraguar. Reproducen con mucha fidelidad el modelo.

Métodos de fundición en moldes permanentes.

La fundición en molde permanente usa un molde metálico dividido en dos partes o sectores que están diseñados para cerrar y abrir con precisión y facilidad. Los moldes se hacen comúnmente de acero o hierro fundido. La cavidad junto con el sistema de vaciados se forma por maquinado en dos mitades de molde a fin de lograr una alta precisión dimensional y un buen acabado superficial. Los metales que se funden comúnmente en este tipo de molde son aluminio, magnesio, aleaciones de cobre y de hierro fundido.

Fundición hueca: es un proceso de molde permanente en el cual se forma un hueco al invertir el molde, después que el metal ha solidificado parcialmente en la superficie del

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molde, drenando el metal liquido del centro. La solidificación empieza en las paredes relativamente frías del molde y progresa con el tiempo hacia la parte media de la fundición. Se usa para estatuas, juguetes, pedestales de lámparas.

Fundición a baja presión: el metal líquido e introduce dentro de la cavidad a una presión aproximada de 0,1MPa, aplicada desde abajo, de manera que el metal fluye hacia arriba. Sus propiedades son superiores al método anterior.

Fundición con molde permanente al vacío: es una variante de la fundición a baja presión en el cual se usa el vacío para introducir el metal fundido en la cavidad del molde.

Fundición en dados: en este proceso se inyecta el metal fundido en la cavidad del molde a alta presión. Las presiones típicas son de 7 a 350MPa. La presión se mantiene durante la solidificación del metal, posteriormente el molde se abre para remover la pieza. Los moldes en la operación de fundición se llaman dados, de ahí el nombre. Puede ser con cámara caliente y con cámara fría.

Fundición centrífugada: se refiere a varios métodos de fundición caracterizados por utilizar un molde que gira a alta velocidad para que la fuerza centrífuga distribuya el metal fundido en las regiones exteriores de la cavidad del dado. Este grupo incluye:

Fundición centrífuga real Fundición semi centrífuga Fundición centrifugada o centrifugado.

Este método es muy popular para las piezas tipo cuerpo de revolución.

Resumen: En este apartado se ha analizado la clasificación los procesos de fundición atendiendo al tipo de molde que se utiliza; moldes desechables y permanentes. Dentro de los primeros se destacan por su importancia y aplicación la fundición en moldes de arena, fundición a la cera perdida y modelos de poli espuma. Dentro de los segundos se destacan la fundición centrífuga y la fundición en dados o fundición a presión. Es valido destacar que la fundición también se puede clasificar atendiendo al grado de mecanización en manual y mecanizada. También por el tipo de aleación fundida, en ferrosa y no ferrosa.

1.5- Esquema tecnológico de los procesos de fundición en moldes de arena.

La fundición en moldes de arena consiste en vaciar un metal fundido en un molde de arena, dejarlo solidificar y romper después el molde para remover la fundición. Posteriormente la fundición pasa por un proceso de limpieza e inspección, pero en ocasiones requiere un tratamiento térmico para mejorar sus propiedades metalúrgicas. Se da forma a al cavidad del molde recubriendo con aren aun modelo o plantilla, después se remueve el modelo para separar el molde en dos mitades. El molde contiene el sistema de vaciado y de mazarota, pero si la fundición tiene superficies internas partes huecas o agujeros) debe incluirse también un macho. Como el molde se sacrifica para remover la fundición, se tiene que hacer un nuevo molde para cada parte a producir.

En esta descripción se puede observar que la fundición en arena no solamente incluye operaciones de fundición, sino también la fabricación de modelos y manufactura de moldes.Esquemáticamente se puede representar ésta secuencia de operaciones de la siguiente forma.

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Para lograr la producción de una pieza fundida es necesario hacer las siguientes actividades:

1. Diseño de los modelos de la pieza y sus partes internas 2. Diseño del molde 3. Preparación de los materiales para los modelos y los moldes 4. Fabricación de los modelos y los moldes 5. Colado de metal fundido 6. Enfriamiento de los moldes 7. Extracción de las piezas fundidas 8. Limpieza de las piezas fundidas 9. Terminado de las piezas fundidas 10. Recuperación de los materiales de los moldes

ResumenA partir del estudio del esquema anterior se pudo apreciar que la producción de una fundición debe transitar por cuatro momentos importantes, considerando que se parte del plano de la pieza: 1- Diseño y fabricación del modelo (plantilla); 2- Diseño y fabricación del molde; 3- Fusión y colada del metal; 4- Extracción y limpieza de la pieza fundida.

1.6- Características generales de las piezas a fundir. Para el diseño de piezas cuya forma de manufactura principal sea la fundición es necesario cumplir una serie de reglas y consideraciones en su diseño lo que evitará la aparición de defectos.

1. Simplicidad geométrica: aunque la fundición es un proceso que puede usarse para producir formas complejas, la simplificación del diseño propiciará una fundición fácil y eficiente. Al evitar complejidades innecesarias se simplifica la hechura del molde, se reduce la necesidad de utilizar machos y se mejora la resistencia de la fundición.

2. Esquinas: deben evitarse esquinas y ángulos agudos, ya que son fuente de concentración de esfuerzos y pueden causar desgarramientos calientes y grietas en la fundición. Es necesario redondear los ángulos en las esquinas interiores y suavizar los bordes agudos.

3. Espesores de sección: los espesores de sección deben ser uniformes a fin de prevenir bolsas de contracción. Las secciones más gruesas crean puntos calientes en la fundición, debido aun mayor volumen que requiere mas tiempo par solidificar y enfriar.

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4. Inclinación o ahusamiento: las secciones de la pieza que se proyectan dentro del molde deben tener un ahusamiento o ángulo de salida. El propósito de esta inclinación en los moldes consumibles o desechables es facilitar la remoción del modelo del molde. En la fundición con molde permanente el objetivo es ayudar a remover la parte del molde. Si se usan machos sólidos estos deben dotarse con ahusamientos similares en los procesos de fundición. El ahusamiento o ángulo necesita ser solamente del 1o para fundición en arena y de 2º a 3º para procesos de molde permanente.

5. Uso de machos: puede reducirse la necesidad de usar machos con cambios menores en el diseño de la pieza.

6. Tolerancias dimensionales y acabado superficial: se pueden lograr diferencias significativas en la precisión dimensional y en los acabados de la fundición, dependiendo del proceso que se use. Ver tabla 13.2 de Fundamentos de Manufactura.

7. Tolerancias de maquinado: las tolerancias que se especifican en muchos procesos de fundición son insignificantes para cumplir las necesidades funcionales de muchas aplicaciones. La fundición en arena es el ejemplo más característico de esa necesidad. En este caso, deben maquinarse porciones de la fundición a las dimensiones requeridas. Casi todas las fundiciones en arena deben maquinarse total o parcialmente a fin de darles funcionalidad. Por consiguiente, debe dejarse en la fundición material adicional, llamado tolerancia de maquinado para facilitar la operación. Las tolerancias típicas de maquinado para fundiciones de arena fluctúan entre 1,6 y 6,3mm.

8. Tolerancias de contracción: es la cantidad que hay que aumentar las dimensiones del molde con respecto al tamaño de la pieza final. Los modelistas (plantilleros) toman en cuenta la contracción por solidificación para sobredimensionar las cavidades de los moldes. Aunque la contracciones volumétrica, las dimensiones de la fundición se expresan linealmente. Par hacer los modelos y los moldes más grandes que la pieza se usan reglas especiales de contracción que consideran una ligera elongación en proporción adecuada, dependiendo del metal o aleación a fundir.

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1.7 Aleaciones para fundición. Propiedades tecnológicas y físicas.

La mayoría de las fundiciones comerciales están hechas de aleaciones más que de metales puros. Las aleaciones son generalmente más fáciles de fundir y las propiedades del producto resultante son mejores.Las aleaciones para fundición se pueden clasificar en:

Ferrosas No ferrosas

Las aleaciones ferrosas se dividen a su vez en: Hierros fundidos Aceros fundidos

Aleaciones ferrosas de fundición: hierros fundidos.El hierro fundido es la más importante de todas las aleaciones de fundición. El tonelaje de fundiciones de hierro es varias veces mayor que el de todos los otros metales combinados. Existen varios tipos de fundición de hierro:

Hierro gris

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Hierro nodular Hierro blanco Fundiciones aleadas.

Las temperaturas típicas de vaciado para hierros fundidos están alrededor de 1400oC dependiendo de la composición. Ver el diagrama hierro-carbono.

Nota históricaEl arte de fundición en arena llego a occidente (Europa) desde China. En China el acero se fundía en moldes de arena hacia más de 2000 años. En 1550 se fundió el primer cañón de hierro en Europa. Las balas de cañón se hicieron de hierro fundido a partir de 1568. Dos productos de hierro fundido que cobraron importancia par el público en general en los siglos XVI y XVII fueron las estufas de hierro fundido y los tubos para agua de la misma aleación.

Aleaciones ferrosas de fundición: aceroLas propiedades mecánicas del acero lo hacen un material atractivo de ingeniería y los procesos de fundición son muy atractivos por su capacidad de generar formas complejas. Sin embargo la fundición especializada de acero enfrenta grandes dificultades. Primero, el punto de fusión del acero es considerablemente mayor que el de los otros metales comunes de fundición. El intervalo de solidificación para los aceros de bajo carbono queda poco debajo de de los 1440oC. Esto significa que la temperatura de vaciado requerida para el acero es bastante alta, alrededor de los 1650 oC. Ha elevadas temperaturas, la reactividad química del acero es alta. Se oxida fácilmente, así que deben usarse procedimientos especiales de fusión y el vaciado para aislar el metal fundido del aire. Por otra parte, el acero fundido tiene una fluidez relativamente pobre, y esto limita el diseño de componentes de fundición de acero con secciones delgadas. Varias características de las fundiciones de acero justifican los esfuerzos para resolver estos problemas. La resistencia a la tensión es bastante más alta en el acero que en la mayoría de los metales de fundición, puede llegar hasta 410MPa. Las propiedades de las fundiciones de acero son isotrópicas; es decir su resistencia es prácticamente la misma en cualquier dirección. En cambio, las partes formadas por laminado o forja exhiben direccionalidad en sus propiedades. Otra ventajea es que pueden soldarse fácilmente con otros componentes de acero para fabricar estructuras o para reparar las fundiciones, sin que exista una perdida significativa de la resistencia.

Aleaciones no ferrosas de fundición: Los metales para fundición no ferrosos incluyen aleaciones de aluminio, magnesio, cobre, estaño, zinc, níquel y titanio.

Aleaciones de aluminio: El punto de fusión del aluminio puro es de 660oC, por consiguiente, las temperaturas de vaciado para las aleaciones de aluminio son bajas comparadas con las de las fundiciones de hierro y acero. Poseen un grupo de propiedades que las hacen atractivas para la fundición: su peso ligero, su amplio rango de propiedades de resistencia que se pueden obtener a través del tratamiento térmico y su facilidad de maquinado.

Aleaciones de magnesio: (649oC punto de fusión) son las más ligeras de todos los metales de fundición, incluyen resistencia a la corrosión y altas relaciones de resistencia y tenacidad al peso.

Aleaciones de cobre: (1083oC punto de fusión) incluyen al bronce, el latón y el bronce al aluminio. Estas aleaciones tienen buena resistencia a la corrosión, su apariencia atractiva y sus buenas cualidades antifricción. El alto costo del cobre es una limitación en el uso de estas aleaciones.

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Aleaciones de estaño: (232oC punto de fusión) el estaño tiene el punto de fusión más bajo de todos los metales de fundición. Estas aleaciones son fáciles de fundir, tiene buena resistencia a la corrosión, pero pobre resistencia mecánica

Aleaciones de zinc: (420oC punto de fusión) se usan comúnmente para fundición en dados (a presión). El zinc tiene un punto de fusión bajo y buena fluidez, propiedades que lo hacen altamente fundible.

Aleaciones de níquel: (2730oC punto de fusión) tienen buena resistencia en caliente y resistencia a la corrosión, propiedades que son adecuadas para aplicaciones a altas temperaturas, como motores de propulsión a chorro, componentes de cohetes, etc. Las aleaciones de níquel tienen un punto de fusión alto y no son fáciles de fundir.

Aleaciones de titanio: (1660oC punto de fusión) son resistentes a la corrosión con una alta relación de resistencia peso. El titanio tiene un alto punto de fusión, baja fluidez y es muy propenso a oxidarse a elevadas temperaturas, lo que hace que estas aleaciones sean difíciles de fundir.

ConclusionesHacer un resumen de los principales contenidos de la clase puntualizando aquellos que resultan definitorios en correspondencia con los objetivos. Tales como, la clasificación de los procesos de fundición de acuerdo al tipo de molde; la secuencia tecnológica para producir una pieza; las exigencias que se deben considerar la diseñar una pieza para fundición y por ultimo los tipos de aleaciones empleadas para las producciones por fundición, destacando dentro de las ferrosas los hhierros fundidos y los aceros fundidos, al mismo tiempo que dentro de las no ferrosas se destacan las de aluminio, cobre y magnesio.

Preguntas de comprobaciónLas preguntas deben estar en función de los objetivos previstos.

1. Clasifique los procesos de fundición de acuerdo al tipo de molde que se emplea en cada caso específico.

2. Mencione los principales pasos o etapas para fabricar una pieza mediante fundición en moldes de arena.

3. Mencione algunas exigencias que se deben cumplir al diseñar piezas para producirlas por fundición.

4. Mencione las principales aleaciones empleadas en la producción de piezas por fundición.

Estudio independiente Investigue qué propiedades físicas y tecnológicas debe reunir un metal o aleación

para poderse emplear como material en la obtención de piezas fundidas. Caracterice las aleaciones estudiadas en la clase de acuerdo con esas propiedades

tecnológicas y haga una valoración de su idoneidad para la obtención de piezas por fundición.

Bibliografía:

1. Fundamentos de manufactura moderna. Materiales, procesos y sistemas. Mikell P. Groover. (pdf)

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Incorporar otros manuales impresos o en soporte digital.Motivación de la próxima actividad.En la próxima clase se continuará estudiando aspectos que son fundamentales para el conocimiento e interpretación de los contenidos del tema de fundamentos de la fundición.

¿Qué equipamiento y procedimientos debe utilizar el ingeniero mecánico para fundir y procesar el metal líquido?¿Qué características debe cumplir el molde para fundición?

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