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UNIDAD 2.1.- FUNDICION

2.1.1.- Introducción, 2.1.2.- Modelos, 2.1.3.- Materiales de moldeo., 2.1.4.- Fabricación de moldes y noyos, 2.1.5.- Sistemas especiales de moldeo, 2.1.6.- Fusión y colada del metal.

2.1.1.- INTRODUCCION

La fundición es una de las técnicas mas antiguas para darle forma a un determinado material. Consiste en incrementarle la temperatura por encima de su temperatura de fusión y una vez que está en estado líquido, se lo vierte en la cavidad de moldeo refractaria, en donde pierde calor, solidificando por lo tanto con la forma deseada. Es una técnica que se usa para todo tipo de metales (aceros, fundiciones, bronces, latones, aluminio, aleaciones ligeras, etc.).

La ventaja de las fundiciones es que se logran piezas con determinadas geometrías que de fabricarlas por algún otro método, en algunos casos sería prácticamente imposible y en otros con un costo extremadamente alto. Es una técnica apropiada para piezas de forma complicada o de gran tamaño, así como para grandes series.

Sin embargo, las piezas metálicas obtenidas por fundición no siempre se utilizan como son obtenidas sino que en ciertos lugares se les debe realizar algún tipo de mecanizado. Esto es debido a que el grado de terminación superficial no es bueno, sobre todo cuando se utilizan materiales de moldeo de alta granulometría.

Clasificación de los tipos de colada

Desde ya que hay numerosos métodos para obtener piezas por fundición. Hay un primer concepto que radica en si la cavidad de moldeo es descartable o no. Lógicamente será descartable si para extraer la pieza en cuestión se rompe la cavidad de moldeo, y esto ocurre en mas del 95 % de la piezas ferrosas, ya que las cavidades se realizan con diferentes arenas y/o "harinas" de moldeo en función de la refractariedad de las mismas, necesarias para soportar temperaturas entre 1300 y 1600°C. Por otro lado, cuando lo que se cuela es Al, debido a que su Tf=660°C, casi el 50 % de los casos se cuelan en moldes metálicos (ferrosos), por lo que son moldes permanentes.

Algo similar ocurre con los modelos. La construcción del modelo es fundamental, ya que en función de la geometría, dimensiones y hasta el material del mismo, será la pieza obtenida. Mientras que un modelo permanente sirve para moldear varias cavidades de moldeo, con un modelo perdido, este se pierde ya sea en el momento de la colada (modelos vaporizantes - PSexp) o previamente a la colada, dejando la cavidad libre (modelos de cera).

Por otro lado, la selección de las arenas de moldeo y la calidad del material del modelo, determinarán en parte la calidad superficial de la pieza.

En la figura 1 se especifican las técnicas de moldeo mas usuales. Al ser una practica milenaria, existen otras técnicas que no se desarrollarán en el curso, ya que se las utilizan en casos específicos.

Fases de la fundición

El proceso para hacer una pieza colada, consiste de cuatro operaciones principales:

Tecnología I - U2.1 - Fundición - 1

1º) fabricación del modelo.

2º) operaciones de moldeo.

3º) fusión del metal.

4º) colada del metal fundido.

Figura 1. Técnicas usuales de moldeo y colada.

A estas cuatro operaciones principales se le suele adosar la extracción de la pieza, el desbarbado (limpiezas de rebarbas), la eliminación del bebedero y la mazarota, las tareas de inspección, el tratamiento y recuperación de las arenas de moldeo, etc. Se analizará cada una de estas fases anteriormente definidas como importantes, teniendo en cuenta el tipo de colada empleado.

Naturalmente, los materiales son susceptibles a cambios en sus propiedades cuando se incrementa o disminuye la temperatura. Una de las variaciones mas sensibles son las dimensionales y en esta técnica hay dos contracciones fundamentales, y de las cuales se dan datos en la tabla I:

i.- por cambio de estado líquido a sólido, en donde las contracciones son importantes y por lo tanto se deberá contemplar, en los casos que sea necesario, la colocación de re-alimentadores y/o montantes y/o mazarotas para que la pieza no quede rechupada.

ii.- en estado sólido, aquellas que serán contempladas por un sobredimensionamiento del modelo y que responden a la ecuación Lf = L0 + L0.γ.∆T, siendo γ el coeficiente de dilatación térmica.


Tabla I. Contracciones por cambio de estado y estado sólido, en moldes de arena.

Por otro lado, en la figura 2 se observa el camino que realizan tanto las arenas como el metal, tanto cuando se encuentra en estado líquido, hasta cuando esta en estado sólido. Se debe tener en cuenta que cuando se habla de fundición de ferrosos en moldes de arena, se estima un consumo de arena en peso de 2,5 veces el peso de la colada, lo que significa que si se cuelan 400 kg cada 10 minutos, se consumirán 6 Tn de arena por hora. Esto determina que las políticas de recuperación y/o reciclado de arenas, sea crítico en este tipo de industrias. La ventaja de colar piezas de material con bajas (Al) y muy bajas temperaturas de fusión (Pb, Sn, Zn, etc.), es que, además de disminuir el costo del calentamiento, generalmente se utilizan moldes metálicos permanentes.

Aleación Cambio de estado

Estado sólido

Acero Fundido – AF 2,50–4,00 1,60

Fundición Gris – FG 1,90 0,83 – 1,30

Fundición Nodular – FN 1,70 0,83 – 1,00

Fundición Blanca – FB 4,75 2,10

Aleaciones de Cobre 4,90 1,00 – 1,60

Aleaciones de Aluminio 6,60 1,30

Aleaciones de Magnesio 4,00 1,30

Figura 2. Flujo típico para fundir piezas en moldes de arenas


Por último, y antes de indicar la recorrida por las distintas fases para obtener una pieza fundida, en la figura 3 se observa, sobre una cavidad moldeada en arena, las diferentes partes de un molde.

Figura 3. Cavidad de moldeo en molde de arena.

2.1.2.- MODELOS

Un modelo es una pieza de madera, polimérica, metálica o de algún material compuesto, que permite moldear la cavidad de moldeo. Por lo tanto, los modelos son similares a las piezas a obtener, y generan en los moldes todas las superficies inversas a las suyas.

Generalmente los modelos son permanentes y por lo tanto se emplean para realizar múltiples cajas. Dentro de las herramientas para fabricar el molde, aparecen las cajas de noyos, dispositivos dentro de los cuales se consolidan los noyos, que definirán cavidades dentro de las piezas coladas.

La selección del tipo de modelo, además del material del modelo, dependerá de varios factores: número de piezas a colar, el tamaño y la forma de la pieza, la técnica de moldeo utilizada y de varios otros factores, uno de los cuales será la precisión dimensional. Usualmente todas estas alternativas estarán en manos del modelista, encargado de construir el modelo.

Una vez concebida la pieza a fundir, se define la forma de moldear, la posición del modelo dentro del molde (que será la mejor desde el punto de vista del desmodelado, es decir extraer el modelo una vez que se termina de moldear) y si el modelo es entero y/o partido (lo que definirán líneas de partición). En la figura 3, esquemáticamente se ve que si la pieza esta moldeada en las opciones a) y b), se debería contar con


noyos/insertos y/o trabajar con un modelo en tres partes, mientras que si se moldea en la opción c), no hay problemas en el desmodelado, mas allá de la presencia de las neas de partición.

odelar un medio modelo ieza simétrica).

ensiones de la

écnicas de moldeo de precisión generalmente no necesitan mecanizados poster

mm, ló

bentonita + agua) tienden a hidratar la madera, con las posteriores eformaciones).

lí

Figura 3. Ubicación de un modelo para evitar contrasalidas. La opción c) es la única que permite desm(p

En cuanto a las dimensiones de la pieza a reproducir; estas serán un poco mayores a las de la pieza final deseada, ya que deberá contemplar las contracciones del material en estado sólido (tabla I). Si bien las contracciones son volumétricas, estas se manifiestan preferencialmente en aquellas direcciones en donde las dimpieza son mayores, por lo que los cálculos se expresan en forma lineal.

En las dimensiones del modelo deberán estar contempladas los sobre espesores para ser mecanizados. Normalmente se dejan entre 3 y 7 mm para mecanizar, pero técnicas modernas, bajo el concepto de NNS – FCF (Near Net Shape – Forma Cercana a la Final), han disminuido estos de tal forma de disminuir las horas de mecanizado posteriores. T

iores.

Un aspecto fundamental en el concepto de la fabricación del modelo estará ligado a las operaciones de desmodelado. Esto es crítico ya que cualquier desmoronamiento producido por la propia extracción quedara reproducido sobre la superficie de la pieza final. Entonces, para favorecer el desmodelado se contemplan ángulos de salida en aquellas superficies perpendiculares al plano de partición. Esto hace que hayan leves diferencias morfológicas, debido a que un prisma rectangular se convertirá en un prisma trapezoidal. Estos ángulos de salida se contemplan desde alturas de 40 mm, hasta alturas de mas 500 mm, es decir con s desde 0.5 mm hasta 4

gicamente dependiendo del ángulo de salida β.

Si bien los costos de los modelos son variables, la elección del de menor costo no suele ser la opción mas rentable, ya que luego el modelo necesita políticas de mantenimiento intensivas, sobre todo cuando se incrementa la producción. Es crítico el estado del modelo, ya que cualquier defecto que este tenga, será copiado en la cavidad de moldeo, y por lo tanto en la pieza colada. Un aspecto a tener en cuenta esta ligado a la estabilidad dimensional del modelo, ya sea durante la operación de moldeo (por ejemplo en caso de utilizar placas modelos metálicas calentadas a 250°C), o a la propia deformación propia del uso (por ejemplo de el caso de utilizar modelos de madera para moldear en verde, en donde la alta humedad propias de las arenas de moldeo en verde (arena + arcilla -d


Tipos

tintos tipos de modelos de la siguiente manera:

étrico o no) o de una cara (simetría total).

as, etc.) suelen forma que

invertir en emplacar el modelo. En general las formas son sencillas, permitiendo un

de modelos

Mas allá de diferenciar entre modelos externos e internos (o noyos), es normal clasificar a los dis

Sueltos o Naturales: enteros, partidos en dos o mas, medios (simetría total).

Placas modelos: sencillas, de doble cara (sim

Modelos de tipo armadura, terraja y plantilla: piezas únicas y/o de gran tamaño.

Modelos perdidos: ceras perdidas y PS Exp.

En la figura 4 se observan distintos modelos, para cavidades simétricas y no simétricas y por lo tanto hay dos tipos de modelos; los modelos externos, tal cual los definidos hasta ahora y los modelos internos, o noyos, que se utilizan para obtener cavidades dentro de las piezas, o para actuar como insertos y permitir desmodelados de modelos con superficies negativas. Nótese que si no se utilizan noyos, se deberán realizar importantes operaciones de mecanizado una vez desmoldada la pieza. Por otro lado, en caso de utilizar una caja de noyos para la fabricación del noyo propiamente dicho, el modelo externo deberá contemplar la portada de noyos, lugares en donde este quedará posicionado dentro del molde. Piezas complicadas, por ejemplo en la fundición de blocks de motores de combustión interna, los cuales llevan mas de 6 o 7 noyos (para obtener cavidades, espesores delgados, contrasalidcontemplar portadas de noyos todas de diferentes dimensiones, de taldurante el armado de la caja de moldeo, no haya equivocaciones en el posicionado delos noyos. Otra opción es darle un manchón de pintura tanto al noyo como a laportada, de tal forma que el operario no se equivoque en el armado.

Figura 4. Modelos sueltos y emplacados

Modelos Sueltos o Naturales

Estos modelo son los mas simples y los de menor costo; por otro lado, el moldeo es manual, lento y la calidad del molde será muy dependiente de la pericia del moldeador. Se utilizan para moldear piezas prototipos o para partidas tan cortas que no justifiquen


desmodelado del modelo respecto del molde, una vez consolidados los materiales de moldeo. Tal como se dijo, en caso de que la pieza necesite un noyo, el modelo deberá

sueltos; esto se debe, a ue además del problema de posición, se incrementan las posibilidades de generar

ones del perfil de densidades de las arenas, lo que puede producir etal, defecto a menudo difícil de corregir.

a a la pieza, así omo la localización de las mazarotas realimentadoras. La tercera buena razón para ser

Figura 5. Distintas placas modelos

contemplar las portadas en donde se ajuste el noyo respecto de la cavidad de moldeo. Estos modelos, generalmente de madera, pueden tener insertos metálicos en aquellas partes de alta abrasión durante el moldeo.

Estos se deben situar convenientemente dentro del marco de moldeo; en el caso de ser modelos partidos, para evitar defectos de pérdida de posición entre sobre y bajero, se los espiga de tal forma que el sobre (posterior al moldeo del bajero, que se realiza en primer término) se moldea con ambos modelos dentro de la cavidad. Es por este motivo que moldear con estos modelos requiere de un cuidado especial, y es usual que muchas fundiciones prácticamente no admitan modelosqdefectos por variacipenetraciones de m

Placas Modelos

Estos modelos se justifican en casos donde el alto costo del herramental se amortice, o con el número de piezas, o con el grado de calidad necesario de la pieza. La gran ventaja de los estos modelos, además de facilitar las tareas de desmodelado, es otorgar una precisa alineación en el posterior armado del sobre y bajero. Según el número de moldes a moldear y las dimensiones del mismo (de hasta 5m. x 7m, mas allá de que de este tamaño son muy difíciles de desmodelar, por lo que se utilizan modelos perdidos de tipo PSexp), estas placas podrán ser de madera, poliméricas, de yeso, pero generalmente son metálicas. Para obtener moldes tipo Shell (o Croning, o moldes cáscara), y debido a que se deben calentar en rangos de 250°C, los mismos generalmente son de aluminio o de acero. Un aspecto importante es que las placas modelos generalmente incorporan alimentadores, bebederos y mazarotas, por lo que el moldeador no corre con la responsabilidad de ubicar el gate de entradcutilizados es que permiten moldear mas de una pieza en la misma caja de moldeo, sobre todo cuando estas son pequeñas. Esto se aprecia en la figura 5.


Las placas modelos denominadas sencillas se utilizan cuando la pieza se puede moldear en una única caja, y se cuela con caja abierta (que debe estar perfectamente nivelad

bicación de las distintas partes de modelo sean solidar

mente simétrica, se podrá moldear

otas quedará a criterio del oldeador. En la figura 6 se observan 2 juegos

.

a pieza única, generalmente

de menor

nte utilizado para realizar cavidades de moldeo de revolución, se

eden moldear cavidades de oldeo, pero en ambos casos se debe contar con un buen sistema de guías de manera

plantilla pueda deslizar sobre las arenas de moldeo.

a) o con dos cajas. En caso de necesitar dos cajas, el sobre será una tapa ciega, solo con el canal alimentador y la presencia de mazarotas, en caso que hagan falta.

Luego, las placas modelos reversibles, en las cuales se moldean cavidades que pueden o no ser simétricas, se fabrican sobre y bajero sin la necesidad de desmodelar luego del primer moldeo. En el caso de que la cavidad sea simétrica, la ventaja de contar con una placa reversible es que el canal de alimentación estará contemplado en la propia caja. El hecho de que la u

ios a la placa, definirá perfectamente la posición de tal forma que no haya corrimientos en la línea de partición.

Por último, si la pieza a moldear es totalmediante una placa modelo de simple cara. Mas alláen caso de utilizar arenas ligadas orgánicamente, se justifica solo en la fabricación de partidas cortas, pero cuando el número de moldes a fabricar se incrementa, a menudo son necesarios dos placas, o las que sean necesarias, para acelerar las etapas de moldeo. Una desventaja de este tipo de placas es que la localización de bebederos y mazar

de que es una operación mas lenta

mde placas modelos

Figura 6. Placas modelos.

Modelos de tipo armadura, de tipo terraja y de tipo plantilla

Estos modelos se utilizan cuando se necesita moldear unesta de gran tamaño. Estos modelos, llamados también simplificados, son de muy bajo costo. Tal como se ve en la figura 7, estos se dividen en:

Tipo armadura: son aquellos que se arman a través de un esqueleto, y de tal forma no solo se ahorra madera, sino que las operaciones de desmodelado, al ser peso, se facilitan. Si se lo construye inteligentemente, el interior de la armadura puede actuar como caja de noyos en caso de que lo necesite la cavidad de moldeo.

Tipo terraja: generalmehace girar una especie de plantilla con la geometría deseada, alrededor de un travesaño que actúa como pívot.

Tipo plantilla: con este tipo de modelo se moldean noyos que no justifiquen la fabricación de una caja propiamente dicha. También se pumque la


Modelos simplificados: armaduras, terrajas y plantillas.

ado líquido se encarga de evaporarlo. La tilización de arenas no consolidadas es fundamental es fundamental en esta técnica,

lidad de las mismas sea la máxima posible.

el cerrado del molde y el , como se observa en la figura 9,

tas manera

lo una

vitar desmoronamientos en caso de odelos, y su complejo desmodelado.

) para generar la totalidad de la cavidad de oldeo.

Figura 8. Posición y portadas de noyos.

Figura 7.

Modelos perdidos

Estos modelos, en cuyas técnicas nos detendremos mas adelante, son aquellos que se pierden en algún momento de la operación. Puede ser en la propia operación de desmodelado, tal como ocurre con los modelos de cera (por lo que de ahí deriva el nombre de Ceras Perdidas), posterior a la operación del recubrimiento cerámico sobre el árbol de cera, que en definitiva definirá la cavidad de moldeo. El otro típico modelo perdido, son aquellos realizados de PS Expandido, en donde directamente no hace falta desmodelar, ya que el propio metal en estude manera que la permeabi

Noyos y cajas de noyos

Como ya se dijo, la función de los noyos es crítica, no solo para dar la posibilidad de obtener piezas huecas, sino que también pueden actuar como insertos para permitir desmodelados y/o como artilugios para evitar desmoronamientos en modelos esbeltos. Tal como se observa en la figura 8, los noyos se pueden ubicar de distintas maneras, aunque la forma horizontal es la mas usual; si se colocan en forma vertical, en caso que haya una interferencia entre el sobre y el noyo durante moldeador no lo perciba, la pieza muere. Por otro ladolos noyos se pueden aplicar de distin s:

ieza. a) para generar cavidades huecas dentro de la p

b) generar contrasalidas negativas.

c) actuar como sobre, utilizando socaja.

d) para em

em


Figura 9. Noyos: distintas funciones.

Los noyos generalmente están fabricados con arenas de moldeo ligadas orgánicamente. Esto es debido a que como son piezas a menudo esbeltas, la buena resistencia en seco de estas arenas es determinante. Por ese motivo las cajas de noyos pueden ser de madera o metálicas, en el caso de utilizar arenas ligadas con resinas no horneadas, o directamente cajas metálicas, en el caso de estar fabricados con arenas de caja caliente. La elección del tipo de material de la caja de noyos estará directamente ligado con la cantidad de noyos a fabricar.

Los noyos, de la misma forma que la pieza colada, presentarán líneas de partición de acuerdo a la disposición de la caja. Estas líneas a menudo presentan rebabas, estas generadas por el propio desgaste de la caja o por perdidas de ajuste; estas rebabas son perjudiciales en la integridad metalúrgica de las piezas ya que son generadoras de inclusiones no metálicas.

Materiales para modelos permanentes y cajas de noyos

La elección del material de los modelos es crítica por varios aspectos, algunos ya mencionados, pero uno fundamental esta ligado al peso del propio modelo, ya que si el modelo es muy pesado (un modelo metálico de gran tamaño, realizado en FN por ejemplo), en la propia operación de desmodelado habrá riesgos de deteriorar la cavidad de moldeo. Es por ese motivo que muchas veces se utilizan materiales de baja densidad, buscando de tal manera una mayor sensibilidad durante la operación antedicha. En la tabla II se observan las principales características para distintos materiales.

Tabla II. Principales características de modelos en

distintos materiales.

No solo se puede optar por distintos materiales para incrementar la vida del modelo, sino que también se disponen de tratamientos superficiales, sobre todo para mejorar la resistencia a la abrasión.


Modelos y cajas de noyos de madera

En función de la facilidad de trabajado, la baja densidad, el bajo costo y la disponibilidad de distintos tipos, la madera es ampliamente usado en la confección de modelos y de cajas de noyos. Se utiliza para todo tipo de modelos, independientemente del tamaño de la pieza a colar, aunque en el caso de ser piezas de muy gran tamaño, se opta por armaduras, terrajas o plantillas.

Una desventaja a tener en cuenta cuando se utilizan modelos de madera es el número de piezas a moldear. Cuando los lotes son numerosos, estos se deteriorarán ya sea por el agua de las arcillas presente en arenas en verde (que lógicamente humedecen la madera y consecuentemente, la deforman), así como las arenas que se le adhieren en arenas ligadas orgánicamente y la posterior abrasión cada vez que se lo limpia, previo inicio del moldeo de una nueva caja. La abrasión, propia de la arena en las operaciones de moldeo, hace que cuando el lote de piezas a moldear se incrementa, es usual que los modelos de madera tengan las aristas reforzadas con perfiles metálicos, de manera de extender la vida del mismo. Se pueden optar por diferentes maderas (se exige que las mismas estén estacionadas de forma que no haya deformaciones tardías, además de preferirse aquellas mas duras), así como distintos tratamientos superficiales de estas (intensivos, tres o mas capas de barniz, pintura o lacas) para evitar la contaminación de las maderas con los ligantes de las arenas. Incluso, algunas maderas son susceptibles de contraerse en caso de que la humedad este por debajo del 25 %, cosa que es usual en plantas de fundición, debido a altas temperaturas ambientes.

En caso de utilizar madera para las cajas de noyos, es usual que si el número de noyos moldeados se incrementa, este tipo de cajas van perdiendo ajuste y esto se materializa en una marcada línea de partición. Esto puede ser problemática para la pieza, ya que esa rebaba de arena, luego aparecerá dentro de la pieza fundida como una inclusión no metálica. Desde ya que con estas cajas de madera no se pueden soplar noyos que sean ligados con ligantes orgánicos de caja tibia y/o caliente, y solo estarán disponibles para arenas ligadas en caja fría y preformados para luego ser gaseados (no horneados).

Modelos y cajas de noyos metálicos

Los modelos metálicos, así como las cajas de noyos metálicas, se justifican cuando el número de piezas a moldear es elevado. Comparados con los de madera, las ventajas consisten en que son mas resistentes mecánicamente, mas resistentes a la abrasión e inalterables dimensionalmente frente a cambios de humedad; la desventaja reside en el costo. De todas formas, la elección del metal de partida también será función de la cantidad de piezas a moldear, ya que se puede optar por aluminios, fundiciones grises, fundiciones nodulares o aceros.

Este tipo de material es fundamental en aquellos moldes o noyos que sean ligados en caja tibia y/o caliente. Generalmente este tipo de moldes, sobre todo cuando se hace Shell, son prácticamente de precisión (si bien no tan precisos como ceras perdidas o moldes tipo Shaw), por lo que se deberá contemplar las dilataciones que sufran a las temperaturas del régimen de trabajo, las que se sitúan en el rango de 200-350°C.


Normalmente se parte de prismas que se van mecanizando hasta obtener la forma deseada. En caso de utilizar aluminio la maquinabilidad se incrementa notablemente y con la asistencia de un CNC y una interfaz CAD/CAM, en pocas horas se puede contar con un modelo o una caja de noyos. Una vez mecanizados, generalmente se los emplaca de manera de minimizar los errores de moldeo.

Cuando se construye un modelo metálico por fusión, ya sea de fundición gris o nodular, es normal que con un primer modelo de madera se cuelen varias piezas en moldes de arena, que luego se mecanizaran para darles las dimensiones finales al modelo; estas operaciones deberán ser tan cuidadosas que se estima que al menos un 60 % del tiempo de la construcción del modelo se concentra en estas tareas. Por otro lado se deberá contemplar el concepto de doble contracción, es decir en primer término la contracción que sufrirá el propio modelo durante su solidificación, y en segundo término contemplar la contracción que sufrirá la pieza colada en si misma. En caso de necesitar un modelo bajo un concepto NNS/FCF, se puede optar por un molde cerámico tipo Shaw, disminuyendo las horas de mecanizado posteriores, así como la menor probabilidad de que haya defectos de origen metalúrgicos.

De la misma forma que en modelos de madera, en caso de que el modelo o la caja de noyos presenten aristas o zonas expuestas a alta abrasión, una alternativa de las mas comunes es agregarle un inserto con un acero de herramienta (usualmente un Special K o AISI D3 (2%C, 0.2%Si, 0.3%Mn, 12%Cr): mínima variabilidad dimensional frente a TT, excelente conservación de filos / alta resistencia al desgaste, hasta 64 HRc) o sino darle un recubrimiento superficial de al menos 500 µ de Cr duro (100%Cr, con 1100 HV ~ mas de 60 HRc).

Modelos y cajas de noyos poliméricas

La versatibilidad, las propiedades y el costo, hacen de los polímeros materiales en plena expansión para la construcción de modelos y de cajas de noyos. Se los utiliza cuando las cavidades a moldear son pequeñas o intermedias. Los modelos poliméricos generalmente son de mayor costo pero de mayor vida útil; en caso de ser necesario se los puede emplacar en placas metálicas. El hecho de que sea un material para la construcción de piezas de precisión, y mas allá de la propia reacción exotérmica de polimerización, es normal que se le agreguen múltiples aditivos de tal forma que resultan con muy buena estabilidad dimensional, aún luego de un considerable paso del tiempo.

Los materiales típicos utilizados son los PU y las resinas epoxis. Las ventajas de modelos de resinas epoxis respecto de los de madera es que tienen mejores propiedades mecánicas, mayor resistencia a la abrasión, menores deformaciones por el medio, muy buena reparabilidad y por último presentan ventajas en las operaciones de desmodelado. En caso que sea necesario, las resinas pueden estar reforzadas con fibras de vidrio (para incrementar propiedades mecánicas) o con agregados de CSi (para incrementar la resistencia a la abrasión).

Modelos perdidos (ceras y PSexp)

Estos materiales, ceras y PSexp son dos de los mas utilizados para producir modelos perdidos. Aspectos de estos modelos y las técnicas en si se ven mas adelante.


2.1.3.- MATERIALES DE MOLDEO

En este apartado se analizarán los materiales de moldeo, tanto las arenas propiamente dichas como los ligantes necesarios para que las mismas tengan una determinada cohesión. Entre ambos definen las mezclas de moldeo.

Mezclas

Las mezclas de moldeo deben cumplir las siguientes propiedades:

• Resistencia en verde: son propiedades típicas de las mezclas ligadas en verde y depende mucho del % de arcilla y agua que lleven. Por otro lado, el concepto también se utiliza para determinar las propiedades de arenas ligadas con resinas, y determina la resistencia a la cual se puede generar el desmodelado sin que haya deformaciones de la cavidad de moldeo.

• Resistencia en seco: es para arenas ligadas con resinas. El ensayo se debe realizar después que se haya sobrepasado el tiempo de curado (polimerizado) de la resina.

• Resistencia en caliente: es la resistencia que tienen las mezclas en caso de ser calentada para disminuir el % de humedad en las arenas. Si bien con esa temperatura se acotan problemas de reacción molde/metal, es usual que haya desprendimientos de arena, generalmente en forma de lluvia sobre el metal que viene ascendiendo por la cavidad de moldeo. También se define a esta propiedad como el comportamiento que tiene el molde durante el colado propiamente dicho, en donde por efecto de reverbero, el calor del metal tiende a degradar la superficie superior del molde.

• Refractariedad: esta referida a la capacidad de las arenas frente a la temperatura de sobrecalentamiento (por encima de la Tf) y a la cantidad de calor del metal que se esta solidificando dentro del molde, que será función a su vez del tamaño y forma de la pieza. Vitrificaciones, así como deterioro temprano de las arenas o presencia de inclusiones no metálicas dentro de la pieza que sean provenientes del molde, son indicativos de una refractariedad no adecuada para lo que se esta fundiendo.

• Conductibilidad térmica: directamente ligada a la refractariedad, influye en la velocidad de extracción de calor del metal que se esta solidificando. Arenas con mayores coeficientes de conductividad térmica, determinarán microestructuras mas finas.

• Granulometría: es el tamaño de las arenas. Esta directamente relacionado con la permeabilidad del molde. De la misma forma que bajo el concepto de partículas cerámicas, la mezcla de arenas con tamaños de granos de tal forma que vayan ocupando los espacios libres que quedan entre los granos de mayor tamaño mejora la terminación superficial, pero disminuye la permeabilidad.

• Fluidez: es la capacidad de las mezclas para copiar el modelo durante la etapa de moldeo. La uniformidad de los perfiles de densidad serán función del grado de fluidez de las arenas.

• Deformabilidad: es la habilidad de las mezclas para ser deformadas durante la solidificación de la pieza dentro del molde. Directamente ligada con la resistencia en verde, seco y en caliente, si la deformabilidad es muy baja, no permite la libre contracción, no solo modificando la cota nominal de la pieza, sino como generadora de tensiones residuales capaces de iniciar fisuras.


• Permeabilidad: es la habilidad para dejar pasar, a través de las paredes del molde, tanto al aire que se encuentra durante el llenado de la cavidad, como de las reacciones molde/metal. Estas a su vez son de dos tipos: vapor de agua, en el caso de ligar con arcillas, y humos, en caso de ligar con resinas.

• Colapsabilidad: es la capacidad del molde para permitir el desmoldado de la pieza. A medida que se incrementan las resistencias, disminuye la colapsabilidad del molde. Es usual que en moldes de baja colapsabilidad, se generen maltratos por la propia violencia de la operación, además de un mayor tiempo de desmoldeo.

• Vida de banco: es el tiempo que dura el molde con buenas propiedades para ser llenado. Es crítico cuando se moldea en verde, ya que inmediatamente de moldeado, el molde se empieza a secar, sobre todo en ambientes típicos de cancha de moldeo, donde las temperaturas medias son altas, así como bajos el % de humedad. En moldes ligados con resina, la vida de banco es indefinida.

• Durabilidad o vida útil de la arena: da el índice de reciclabilidad de las arenas. Mientras en verde hay una marcada reutilización (previo desterronado, separación por granulometría, agregado de arenas y arcillas nuevas, y el posterior humectado), las arenas ligadas con resina prácticamente son desechadas, ya que una vez que las resinas polimerizan, al ser termorrígidos, dificultan el calcinado de las mismas.

• Reactividad química; volátiles; reacciones molde/metal: esta ligada al comportamiento de las mezclas frente al metal en estado líquido. Da un índice de presencia de inclusiones no metálicas provenientes del las arenas.

• Costo y disponibilidad: aspecto crítico en función de los grandes volúmenes utilizados, las fundiciones se establecieron en aquellas zonas donde se encontraban yacimientos de arenas "naturalmente ligadas", es decir, mezclas naturales de arenas y bentonita, que con solo agregar agua y algún aditivo, ya están listas para moldear. En la actualidad, se dispone de arenas con granulometrías perfectamente acotadas.

Las principales tipos de arenas son :

i. Arenas silíceas, SiO2, tiene una Tf= 1728°C y una δ= 3 gr/cm3. Son las de mayor uso. Son arenas que reaccionan con el Mg y además forma un silicato de hierro de bajo punto de fusión, lo que genera penetraciones de metal en molde. La permeabilidad y la rugosidad superficial de la pieza colada será función del tamaño de grano, siendo estas variable entre 200 (arenas súper finas) y 20 Mesh (arenas de respaldo, de menor costo, también llamadas “chamote”). Normalmente se trabaja con arenas 60 Mesh. En la figura 10 se observa un informe técnico de un proveedor de arenas de moldeo, donde se da la distribución gaussiana respecto del tamaño de grano.

Figuras 10. Informe técnico de arenas clasificadas


ii. Arenas de zirconio, Zirconita, ZrO2-SiO2(67,2%-32,8%), tiene una Tf= 2550°C y una δ= 4,7 gr/cm3. Son arenas muy finas, de hasta 400 Mesh, y comúnmente se las llama "harinas de moldeo"; se las utiliza en moldeo de precisión, tanto en moldes cerámicos de gran tamaño (método Shaw), como en Ceras perdidas. Son de alta conductibilidad térmica, enfriando ("chilling") 4 veces mas que las de base sílice. Son de granos redondeados, por lo que utilizan menor cantidad de ligante, y de baja reactividad química. Debido a su gran refractariedad, grano fino y muy buena estabilidad dimensional, se las utiliza en la fundición de aceros.

iii.- Cromitas y olivinas, son arenas poco usuales. Las cromita son arenas negras de alta refractariedad, alta angularidad (> cantidad de ligante) y alto costo. Las olivinas, características por su color verdoso, son arenas frágiles, por lo que su reciclado disminuye.

Ligantes

Los ligantes son necesarios para dar cohesión a las arenas. Los hay de dos tipos: arcillas y resinas; estas últimas, a su vez, se dividen en no horneadas, de caja fría y de caja caliente.

Arcillas: de tipo aluminosilicatos, son láminas chatas muy pequeñas (entre 0,1 – 1 μm), que hidratados adquieren gran plasticidad, pero que al secarse, sufren altas contracciones. Es típico incrementar el % humedad al óptimo para facilitar las operaciones de mezclado, pero hay una disminución en la resistencia en verde, aunque incrementándose la resistencia en seco (figura 11). Como se observa en la figura 12, las adiciones respecto de arena son: 2-15% arcilla y 1-5% agua.

Figura 11. Resistencia en verde y en seco en función del % de agua.

Figura 12. Resistencia en verde vs % de arcilla y % de agua.


Si bien hay distintos tipos de arcillas como caolinitas - ‘Fireclay’ o iliticas, las mas utilizadas son las montmorillonitas, también llamadas ‘Bentonitas’, pudiendo ser estas sódicas o cálcicas, aunque las mejores propiedades se obtienen mezclando las mismas. Las sódicas son de alta durabilidad, admitiendo varias rehidrataciones, pero con una baja velocidad de absorción de agua, por lo que se incrementan los tiempos de mezcla. Por otro lado, las cálcicas presentan alta fluidez, pudiendo obtener buenos y uniformes perfiles de densidad, a través de menores esfuerzos.

Resinas

Siendo este tipo de ligantes resinas termorrígidas, las hay de tres tipos:

a.- No horneadas, donde a la resina base se le agrega un catalizador, mas un acelerador en caso de querer disminuir los tiempos de moldeado, y rápidamente se mezcla con la arena. Esta operación se realiza en menos de 5’, aún para cargas de 100 kg de arena. El curado da un tiempo para poder moldear, y a su vez permite un buen desmodelado, tomando vigencia el concepto de resistencia en verde, aun en resinas, donde lógicamente no hay presencia de agua. Las hay de distintos tipos: furánicas catalizadas con ácido, fenólicas catalizadas con ácido, fenólicas alcalinas catalizadas con ésteres, resinas poliester – uretanos y otras.

b.- Curadas con calor o de caja caliente, donde las mas usuales son las utilizadas para moldes cáscara, comúnmente llamados “Shell”. La idea es que cada grano de arena viene revestido con resinas fenólicas. Se curan en molde y/o modelo calentado a 150-350°C. Como las arenas son clasificadas, las piezas obtenidas dan alta terminación superficial. Como todos las arenas ligadas con resinas, tienen excelente vida de banco. Otra utilización típica es para el ‘soplado’ de noyos, donde máquinas de última generación dan tiempos de curado entre 10-30 seg.

c.- Curadas en caja fría, donde el curado del ligante es por medio de un gas o vapor que pasa a través de la arena revestida. Los mas usuales son las resina furánicas, catalizadas por medio de CO2., aunque también catalizan resinas de tipo Epoxi – Acrílicos o Acrílicos.

Por último, y como una curiosidad ya que es poco usual, a las arenas se las puede ligar con cemento, con tenores no mayores al 11%, ya que estaría sériamente comprometida la colapsabilidad del molde. La gran desventaja del cemento es que el curado es irreversible (no permitiendo una rehidratación), por lo que hay una baja recuperación de arenas.

Aditivos

Los aditivos mas usuales, que se agregan generalmente a las mezclas en verde, son:

i.- Cereales, almidones y dextrinas: incrementan la plasticidad en verde, la resistencia en seco y disminuyen la expansión térmica de la arena. Por otro lado, los cereales actúan reteniendo humedad, por lo que se agregan para incrementar la vida de banco. Se suelen usar polvos de cáscara de arroz, polvos de cáscara de avena y/o polvos de marlo de maíz (Mogul). Aditivar dextrinas, para luego secar los moldes en estufas, se utilizan dado que las mismas cristalizan superficialmente, mejorando la rugosidad superficial de las piezas.


ii.- Polvos de madera: harinas (todo por debajo de #50 y 40% por debajo de #100), no confundiendo con aserrín. Al tener bajo punto de ignición (250°C), forma una atmósfera reductora. Se hinchan en presencia de agua, disminuyendo la expansión térmica de la sílice.

iii.- Carbón molido: se lo utiliza para evitar adherencias a la pieza, formando una capa vítrea negra lustrosa sobre la pieza. Evitan además penetraciones de metal líquido al molde. Una desventaja es que contaminan la arena con S, disminuyendo la vida útil de la bentonita; otra desventaja es la alta presencia de humos durante la colada.

2.1.4.- FABRICACION DE MOLDES Y NOYOS

Una de las etapas importantes en una fundición es la fabricación del molde y de los noyos, una vez definido el modelo, la caja de noyos y el material de moldeo. Para fabricar este molde se dispondrán desde simples cajas, aparejos y pisones manuales, hasta equipos de moldear sofisticados, tales como vibradores, turnovers o sopladoras de noyos.

Moldeo en arena manual

Tal como se aclaró, este método de moldeo es de los mas antiguos. Es de bajo costo, versátil y con la ventaja de admitir todo tipo de aleación metálica. Las desventajas están relacionadas con la calidad superficial de la pieza, con algunos problemas de colabilidad en el caso de secciones esbeltas, con la reacciones molde / metal (ya sea estén ligadas en verde y/o con resinas orgánicas), así como inclusiones no metálicas en su microestructura (producto de erosiones en el molde).

Cajas de moldeo

Son los marcos donde quedan contenidas las cavidades de moldeo. Si bien se pueden armar cavidades de moldeo en el propio suelo de la cancha de fundir, esto solo se utiliza cuando las piezas son de gran tamaño, tal como se observa en la figura 13; en estos casos, al no contar con buena permeabilidad en el bajero, se le arma una cama de carbón que extrae gases asistido con tubos que actuarán como pequeñas chimeneas.

Figura 13. Moldeo en fosa, con una única caja como sobre.

Cuando el tamaño de las piezas a colar es “normal” las cajas que se utilizan se observan en la figura 14. Los marcos son bastidores suelen ser de paredes verticales con detalles para atrapar mecánicamente a las arenas. Las hay de tamaños muy variados y dado que no son de bajo costo, en caso de trabajar con altas producciones, se debe establecer un buen diseño en la operación de moldeo y de colada. Si bien los marcos suelen ser ferrosos, en caso de necesitar disminuir los pesos se pueden optar por marcos de Al; a menudo se opta por marcos de madera, reforzados con perfiles


metálicos, pero no son recomendables debido a los lógicos derrames que se producen en el ataque a los moldes. Se observa claramente que para evitar desplazamientos entre sobre y bajero, las cajas están guiadas con pasadores, que a su vez posicionan los modelos emplacados. En caso de ser cajas medianas, suelen traer goznes que permiten movilizar las cajas con algún tipo de aparejo mecánico.

Figura 14. Cajas de moldeo, superficie de moldeo utilizable hasta

2500 cm2) y ≈ 6000 cm2. ≈

En caso de moldear piezas de gran tamaño, los moldes pesan tanto que a menudo colapsan por su propio peso. En esos casos, se opta por cajas con una estructura tal de que permita moldear, pero que las arenas queden sostenidas, tal como se observa en la figura 15. Además de los posicionadores entre sobre y bajero y los muñones / goznes que permiten las operaciones de volteo para desmodelar, los marcos llevan un enrejado tal que permiten anclar las mezclas de moldeo al mismo sin que estas colapsen. Todas estas operaciones se deben realizar con la asistencia de aparejos mecánicos, generalmente movidos por puentes grúas, lo que hace que se pierda sensibilidad en las operaciones, con las consiguientes deformaciones en el molde.

Figura 15. Caja de moldeo para piezas de gran tamaño, superior al m2 de superficie.

El tema de la presión de cierre entre sobre y bajero es crítico. Si el ajuste es menor al deseado, daría una mayor rebaba (lo que no es problemático, ya que se elimina fácilmente); lo que si es delicado es que habrá un incremento dimensional en la altura de la pieza. Por otro lado, si el ajuste es mayor al deseado, pueden haber deformaciones en la cavidad de moldeo, por lo que no solo la pieza quedará mas pequeña, sino que hay probabilidades de que la misma tenga arenas en su microestructura. En la figura 16 se observan distintos tipos de ajuntes en cajas de moldeo.

Figura 16. Distintos cierres para cajas de moldeo, fijos y progresivos.


Es usual que para disminuir costos se opte por moldear con una caja específica para esa operación, pero una vez desmodelada, se la enmarque en un bastidor muy simple (figura 17), de tal forma que evite derrames en el caso de que el molde se abra o colapse en el momento del llenado

Figura 17. Bastidores simples p/evitar derrames.

Equipos y operación para el moldeo manual

Se optará por moldeo manual en arena en aquellas piezas que sean únicas, o de una cantidad que no justifiquen la inversión, tanto en modelos como en el herramental necesario que permitan un moldeo mecánico. El moldeador utilizará herramientas para manipular las arenas, apisonarlas y retocar las cavidades una vez desmodeladas. En caso de que el moldeador trabaje con un modelo suelto, lo posiciona sobre una tabla de madera, ubica el marco, lo espolvorea con talco (para facilitar el desmodelado y mejorar la rugosidad superficial) y procede a llenar el marco con las arenas de moldeo. Para esto cuenta con un pisón, que se utiliza sobre todo en el moldeo en verde, ya que cuando las arenas están ligadas con resinas de tipo caja fría, estas tienen una gran fluidez, copian muy bien al modelo y no hace falta apisonarlas con vehemencia. Esta característica, a merced del moldeador, hace que la permeabilidad de los moldes sea errática y problemática. Esto se debe a que si la densidad del molde es mayor que la recomendada, si bien tiene mejores propiedades mecánicas, tanto la permeabilidad, así como la deformabilidad (aquella cualidad que permite la libre contracción de la pieza dentro de la cavidad de moldeo, evitando tensiones residuales), se ven seriamente modificadas; en caso de que la densidad del molde sea menor que la recomendada, la peor consecuencia sería una penetración del metal en el molde, el cual es un defecto de difícil reparación. Para disminuir la fatiga del moldeador, se cuentan con pisones neumáticos o eléctricos, pero, al ser operados manualmente, generan la misma problemática. En la figura 18 se observan distintas herramientas utilizadas por el moldeador.

Figura 18. Distinto

herramental para moldeo manual.


Un tema fundamental son las operaciones de desmodelado. En caso de utilizar modelos sueltos, estos suelen traer casquillos metálicos roscados de manera que se le adosan extractores que permitan la operación. También es normal dar pequeños golpes para despegar el modelo de las arenas; estos golpes deben ser delicados, ya que en cierta forma incrementan las dimensiones de la cavidad. En caso de ligar con resinas orgánicas, el tiempo de desmodelado es crítico, ya que si las resinas polimerizan prácticamente en su totalidad, es normal que el modelo se pegue y la extracción trae aparejadas roturas en el molde. Por el contrario, si el desmodelado es apresurado, no solo puede haber desmoronamientos de las arenas (problemática no complicada, ya que solo se debería rehacer el molde) sino que puede haber deformaciones por el propio peso de las arenas, que es un defecto complicado ya que el fundidor no se percata de la deformación hasta que se encuentra con la pieza desmoldada y la misma esta fuera de tolerancias. En caso del moldeo mecánico, los desmodeladores sueles ser automáticos y se verán mas adelante.

Es usual que luego de la extracción del modelo, y sobre todo en grandes piezas, haya que retocar las cavidades. Las herramientas específicas son todo tipo de cucharas, espátulas, alisadores, pinceles, etc. En algunos casos se refuerzan las aristas de las cavidades con clavos y ganchos, contemplando que dichos refuerzos quedan incorporados a las piezas.

Una simple rutina de moldeo manual se observa en la figura 19.

Figura 19. Moldeo manual.

Equipos y operación para el moldeo de noyos

Tal como se aclaró, los noyos se utilizan ya sea para generar cavidades, evitar contrasalidas de los modelos y evitar secciones esbeltas de arenas que colapsarían durante el desmodelado, entre otras cosas. La buena fabricación de los noyos es muy importante, ya que cualquier defecto sobre ellos generalmente descalifica la pieza fundida. Es necesario un análisis previo y se debe tener en cuenta:

• que sean de fácil preparación, con la mínima presencia de rebabas.

• que sean de alta refractariedad, que no se vitrifiquen, ni permitan penetraciones de metal.

• que sean de alta resistencia mecánica, indeformables (durante la colocación y el primer contacto con el metal líquido) y que no se rompan debido a la solicitación térmica ni a la presión metaloestática.


• que sean de alta permeabilidad, generando venteos desde las portadas ubicadas preferencialmente en el sobre.

• que sean deformables (para permitir la libre contracción de la pieza).

• que sean colapsables, de forma que prácticamente no haya mas que soplar aire comprimido por la cavidad para eliminar los vestigios de arena que no cayeron por gravedad.

Generalmente los noyos son de arena ligados con resinas orgánicas, aunque también se los moldea en verde. En caso de ser esbeltos, o de gran volumen, se los refuerza y se les da permeabilidad por distintos medios. En la figura 20 se observan distintos noyos, en donde hay desde refuerzos por alambres hasta refuerzos por armaduras. Se observa que las salidas de gases siempre se hacen a través de las portadas. En caso de trabajarse con medios noyos, antes de pegarlos se le pueden tallar canales para asistir la permeabilidad. En caso de necesitar noyos con formas irregulares, una forma “artesanal” de obtener los canales es moldear la caja de noyos con un cordel encerado, de tal modo, que una vez consolidado el noyo, se lo precalienta por encima de la temperatura de fusión de la cera, permitiendo la extracción de dicho cordel. Una forma de dar permeabilidad, de la misma forma que el moldeo en fosa para grandes piezas, es mediante "camas de coke" (figura 21). Por último, se pueden trabajar con tubos perforados, previamente revestidos en yute, luego con arenas de respaldo y por último con las arenas de terminación, de tal manera que la rugosidad superficial de la pieza sea la necesaria. A estos tubos se los llama linternas, y se los suele utilizar para noyos de gran tamaño (figura 22).

Figura 20. Distintos tipos de noyos, con refuerzos y detalles para dar permeabilidad.

Figura 21. Noyo de gran tamaño. Figura 22. Noyo con carcasa, yute y arenas.

En caso de que los noyos sean esbeltos y no se los pueda reforzar, existe una alternativa que consiste en colocar dentro de la cavidad de moldeo, un soporte metálico


en el cual el noyo se apoye y no colapse; naturalmente, el soporte queda incorporado a la pieza colada. Estos soportes, también denominados “chaplets”, deben ser de un tamaño tal que no sea lo suficientemente pequeño para que con el primer contacto con el metal líquido el mismo se funda y no cumpla con su misión, ni lo suficientemente grande como para que quede como una inclusión metálica dentro de la pieza, ya que el metal líquido no alcanza a fundirlo. En la figura 23 se observan distintos soportes y el modo de colocarlos; en este ejemplo, el soporte inferior evita el colapso del noyo por su propio peso por esfuerzos de flexión, y el soporte superior, evitando el colapso generado por el propio metal líquido al atacar la cavidad de moldeo. Desde ya que la composición química del soporte será lo mas cercana a la de la pieza a colar.

Figura 23. Soportes para noyos, colocados dentro de la cavidad de moldeo.

Una vez moldeado sobre y bajero, los noyos se colocan en las portadas del bajero y para que no se muevan durante el cerrado del molde, a la portada se la pinta con una sustancia a base de silicato de sodio + talco industrial que se la denomina “peganoyo”. Esta sustancia también se la utiliza para pegar los moldes, pintando las superficies del molde que tomaran contacto entre si, con la precaución de que no haya rebalses y que los mismos se incorporen a la cavidad de moldeo. Por último, hay que tener sumo cuidado en aquellos noyos que tienen portadas que ajustan en el sobre, es decir que están en posición vertical; esto se debe a que durante el cerrado, ante cualquier pequeña interferencia, el noyo es capaz de colapsar sin que el moldeador lo percate. Una pieza de alta complejidad, con su placa porta noyos con chaplets incluidos, se observa en la figura 24.

Figura 24. Placa portanoyos de pieza compleja. una


Soplado de noyos

Los noyos deben ser lo suficientemente densos como para obtener buenas resistencias mecánicas, además de prevenir penetraciones de metal; una penetración de metal dentro de un noyo, prácticamente descarta la pieza. En caso de utilizarse arenas no horneadas, es usual moldearla en forma manual, ya sea en cajas de madera o metálicas. En caso de necesitarse altas producciones, se deberá optar por algún método mecánico; el mas común es el soplado de noyos.

Las sopladoras de noyos soplan, propiamente dicha, las arenas dentro de la caja. Las arenas deberán estar perfectamente mezcladas antes de ingresar al dosificador que alimentará la caja. La sopladora no solo hace ingresar las arenas a alta presión, sino que mediante un pequeño vacío incrementa la fluidez de las arenas (figura 25). Las arenas utilizadas suelen estar ligadas con resinas de caja tibia o caliente o también con resinas de caja fría (las que se deben gasear para que las resinas polimericen). En caso de utilizar arenas de caja tibia, el sistema de soplado trabajará a una temperatura de régimen de tal forma que se realice dentro de la sopladora un pre-curado de las arenas. Es por ese motivo que es usual que los noyos pre-curados se los coloque en bastidores que luego van a estufas para realizar el curado final.

Figura 25. Sopladora para noyos huecos de caja tibia, con asistencia de soplado + vacio y

recupero de arenas no consolidadas.

Método Shell

Este método es utilizado para obtener moldes delgados, y es por eso que se denomina Shell (caparazón, cáscara) y se utilizan arenas revestidas (120/200 Mesh) que polimerizarán sobre un modelo previamente precalentado. Esta técnica de moldeo da piezas de alta calidad superficial en función de las características de las mezclas de moldeo utilizadas, ya que suelen ser mas finas que las arenas clasificadas (60 Mesh). Se la suele utilizar para piezas de geometrías complicadas, de tamaño mediano y para grandes partidas.

Son moldes livianos y de excelente vida de banco. Como desventaja se puede citar el alto costos de las arenas utilizadas, el costo de los modelos y así también el alto costo de las instalaciones necesarias para la obtención de las cáscaras.


En la figura 26 se observa la forma de obtención de estos moldes. Se parte de una placa modelo que, previamente calentada entre 250/300ºC, se posiciona boca abajo sobre un bastidor que esta solidario a un depósito que va a tener arenas revestidas de caja tibia / caliente en el fondo. Apenas colocada la placa modelo, se voltea el sistema 180º y las arenas revestidas caen por gravedad cubriendo al modelo. Luego de un determinado tiempo, se vuelve el bastidor a su posición original y las arenas que no polimerizaron (mas bien pre polimerizaron), vuelven a caer por gravedad. Posteriormente se desmodela, el molde va a una estufa durante un par de minutos en donde se termina de polimerizar. Generalmente estos moldes suelen ser muy frágiles, por lo que el armado de la caja necesita de materiales de respaldo.

Figura 26. Obtención de un molde por método Shell.

El espesor de la cáscara será función de la velocidad de fraguado de la resina que reviste a las arenas, del tiempo de volteo y de la temperatura y cantidad de calor (tamaño y espesor de la propia placa) que tenga la placa modelo.

Equipos y operación para moldeo mecánico

El incremento en la productividad de piezas fundidas ha hecho que se dispongan de distintos equipos para automatizar las operaciones de moldeo. Esto se justifica ya que se obtienen:

- Reducción de tiempo de moldeo, incrementando la producción y disminuyendo el costo.

- Mejorar la calidad de las piezas coladas, manteniendo un perfil de densidad de arenas constante.

- Evita duras condiciones de trabajo para operarios.


Históricamente, uno de los principales problemas dentro de las operaciones de moldeo, tenía que ver directamente con el desmodelado. Es por este motivo que los primeros esfuerzos se centraron en estas problemáticas, de manera de reducir las operaciones de retoque y emprolijado de los moldes antes de ser cerrados. Una vez solucionado este problema, la atención se centró sobre máquinas que fueran capaces de moldear las arenas de moldeo propiamente dichas, contemplando así también el desmodelado. Dentro de las técnicas de apisonado mecánico, en la figura 27 se distinguen las cuatro principales, las cuales se las compara con la técnica de apisonado manual.

Manual

1 – Densidad Variable. Proceso lento y laborioso.

2 - Bajo costo inicial

3 – Piezas únicas o partidas muy bajas.

Compresión 1 – Densidad uniforme en piezas planas.

2 – Apto para piezas poco profundas.

3 – Desde la placa modelo, mejor densidad.

Compresión

+

Vibrado

1 – Densidad + uniforme respecto de compresión.

2 - Apto para piezas mas esbeltas.

3 – Desgaste del equipo. Operación muy severa.

Vibrado 1 - Densidad + uniforme respecto de compresión.

2 - Apto para piezas poco profundas.

3 - Gran desgaste del herramental; alta severidad.

Proyección

Sand Slinger

1 - Alta velocidad de moldeo.

2 - Densidad uniforme contra el modelo.

3 – Para piezas muy grandes, sin límite de tamaño.

Figura 27. Comparación entre moldeo manual y distintos tipos de moldeo mecánico.

En caso de tener que optar por alguna de estas técnicas, ciertos factores fundamentales deberán tenerse en cuenta:

• Tipo, calidad y cantidad de piezas a fundir (Prototipos, piezas únicas; partidas de pequeña cantidad (menos de 500); mediana cantidad (mas de 500 y menos de 5000); alta cantidad (mas de 5000))

• Geometría de las piezas.

• Grado y perfil de densidades deseadas sobre las arenas de moldeo.

Moldeo por Compresión

Dado que la técnica manual de apisonado se basa en un esfuerzo de compresión, las primeras máquinas de moldear fueron de este tipo. El modo de ataque consiste en aplicar un esfuerzo de compresión mediante un plato que tiene exactamente las


dimensiones superficiales de la caja de moldeo, en la que el modelo debe estar perfectamente posicionado (por lo que siempre se opta por placas modelos) y con la cantidad de arena correspondiente. En este tipo de moldeado, el perfil de densidades varía notablemente con la forma del modelo, estableciéndose los mayores valores en las zonas cercanas al pisón, y los menores valores (con las posibles penetraciones de metal en el molde) en las zonas cercanas al modelo, y dependiendo además de la geometría del mismo. Para contrarrestar esto, y buscar densidades uniformes en las arenas en contacto con el modelo, se invirtió el sentido de compresión (inclusive hasta manteniendo la compresión superior), es decir comprimiendo desde la placa modelo, obteniéndose sensibles mejoras, tal como se observa en la figura 28. De todas formas, y dado que no otorga un perfil de densidades uniforme, se lo utiliza para cajas de poca altura. Otra forma de mejorar el perfil de mayor es reproducir

densidad pero a un costo de herramental

en el pisón el perfil

el modelo (figura 29).

Figura 28. Moldeo por cola placa modelo.

presión:

e 250°C, son ampliamente usados en arenas revestidas para caja tibia y caja caliente.

Figura 30. Moldeo por compresión para molde vertical y/o noyo.

d

mpresión desde

Figura 29. Moldeo por comisón liso y pisón modelo. p

Como es usual en este tipo de tecnologías, hay innumerables variantes para obtener fines similares. En la figura 30 se observa la asistencia de un soplador para alimentar una cavidad que conforma moldes verticales. Se puede notar que en cierta forma es una forma de consolidar noyos. Este ejemplo, con temperaturas de régimen d


En la figura 31 se observa un claro ejemplo de variaciones en el perfil de densidades producto de la compresión; esta variación, producto de la propia fricción de las arenas contra la placa modelo, estará directamente relacionada con la propiedad de fluidez de estas. Intuitivamente se aprecian las solicitaciones frente a desgaste por abrasión a las que se enfrentan este tipo de herramentales.

Como es usual en este tipo de tecnologías, hay innumerables variantes para obtener fines similares. En la Figura 26 se observa la asistencia de un dosificador para alimentar una cavidad que conforma moldes verticales. Se puede notar que en cierta forma es una forma de consolidar noyos. Este ejemplo, con temperaturas de régimen de 250°C, son ampliamente usado en arenas revestidas para caja tibia y caja caliente. Superficie superior del molde

Densidades en gr/cm3

1.3 1.4 1.4 1.5 1.5 1.5 1.4 1.4 1.3

1.3 1.2 1.3 1.5 1.4 1.5 1.3 1.3 1.3

1.1 1.1 0.8 0.9 1.1 1.1

1.0 1.0 0.8 0.8 0.8 0.9

0.8 0.7 0.7 0.7 0.7 1.0

0.6 0.5 0.5 0.6 0.6 0.7

0.5 0.4 0.4 0.5 0.5 0.5

0.3 0.4 0.1

Penetración de la placa modelo en las arenas

0.4 0.5 0.4

Superficie inferior del molde Figura 31. Fluidez de las arenas en moldeo por compresión.

Dimensiones del pisón superior: 76,2 x 152,4 mm; Altura y densidad molde inicial: 304,8 mm y 0,8 gr/cm3; Altura y densidad molde final : 203,2 mm y 1.0 gr/cm3; a la

izq., grilla experimental, con arenas coloreadas para observar las deformaciones.

Moldeo por Vibrado

Este método se basa en que las arenas de moldeo se asienten mediante una acción violenta sobre el eje vertical. La operación consiste en elevar y hacer descender velozmente al sistema (placa modelo + caja de moldeo + arenas de moldeo); al descender, y al tener el sistema un peso considerable, el golpe seco distribuye las arenas alrededor de la placa modelo. Esta operación se repite hasta que la densidad sea la necesaria, la cual también será dependiente de la geometría del modelo; generalmente esta acción no es menor a tres veces ni mayor a seis veces y en moldes normales el tiempo total de la operación de moldeo no debería ser superior a los 30 seg. En la figura 32 se observa el esquema de funcionamiento de un equipo de moldeo por vibrado simple.

Figura 32. Moldeo por vibrado.


Sin embargo, es muy usual combinar técnicas de vibrado + compresión. En la figura 33 se observa un sistema inicial de vibrado, seguido de un posicionamiento del pisón para posteriormente accionarse una etapa de compresión; como suele suceder para mantener un perfil de densidad homogéneo sobre la superficie de moldeo propiamente dicha, se debe notar que la compresión viene desde el modelo. En la figura 34 se observa una máquina por vibrado asistida por pisones de compresión individuales.

Figura 33. Moldeo por vibración asistido compresión con pisón único.

Figura 34. Moldeo por vibración asistido por compresión con pisones individuales.


Es normal que estos equipos a su vez tengan dispositivos de volteo, ya sean de tipo turnover o de tipo abanico. Este se realiza para que las operaciones de desmodelado sean menos problemáticas. En la figura 35 se observa un equipo combinado de moldeo por vibrado + compresión, y una vez que las arenas están consolidadas la caja de moldeo rota 180°, en forma de abanico, y se deposita junto a una placa desmodeladora, la que se valen a menudo de vibradores neumáticos. Desde ya que todo este herramental se justifica para partidas importantes, donde hay una gran cantidad de cavidades a moldear. En la figura 36 se observa un detalle del brazo de volteo propiamente dicho.

Figura 35. Moldeo por vibrado + compresión, rebatible en abanico.

Figura 36. Moldeo por vibrado y compresión + turnover.

Moldeo por Proyección – Sand Slinger

Esta técnica de moldeo se basa en la proyección violenta de las arenas de moldeo contra el modelo, siendo esto para piezas de gran tamaño, para cajas de mas de 1 m2 de superficie; se debe contemplar que, por ejemplo, colar contramatrices en fundición laminar, con un peso entre 15 a 20 T, necesitan cajas de aproximadamente 3 x 4 m de superficie. Este método tiene la particularidad de que se obtiene muy buenas resistencias en los moldes, debido a las energías en cuestión; esta proyección, al ser de alta velocidad, hacen innecesarios apisonados manuales. Generalmente se compone de un conjunto de palas que giran a alta velocidad, que es alimentado por arenas que son transportadas mediante una cinta transportadora, a su vez esta tomadas de un pequeño vagón que desliza sobre rieles. Las arenas deben venir perfectamente


mezcladas, ya que el equipo lo único que hace es proyectarlas. Constructivamente, el conjunto de turbina y cinta transportadora se monta sobre un sistema de brazos separables, de tal manera que se pueda desplazar por toda la superficie de la caja de moldeo.

A su vez existen dos tipos de máquinas: sencillas y compuestas. En las primeras (figura 37), el movimiento del dosificador esta otorgado por un control operado a través de un comando tipo manual.

Figura 37. Moldeo por proyección - Sand Slinger.

En las segundas (figura 38), ya estas de mayor tamaño, un operario se sitúa encima del dosificador, de manera que mediante un sistema de posicionamiento tipo joy-stick controla perfectamente el llenado de la caja de moldeo.

Esta técnica de moldeo es muy dependiente de la destreza del operario. Barrer una zona del modelo a alta velocidad induciría densidades bajas, con posibles penetraciones de metal en el molde, mientras que un ataque excesivo generará un desgaste prematuro del modelo.

Figura 38. Equipo para cajas de gran tamaño por proyección - Sand Slinger.


2.1.5.- SISTEMAS ESPECIALES DE MOLDEO

En este apartado se verán otras técnicas de moldeo, exceptuando a las de arena tradicional.

Moldes cerámicos – Método Shaw

Los moldes cerámicos se caracterizan por ser utilizados para colar piezas de gran calidad. El material de moldeo son las “harinas” de Zr, que como ya se ha aclarado son materiales de muy baja granulometría, por lo que dan una excelente terminación superficial sobre la pieza colada. Por otro lado, como estas “harinas” son muy refractarias, no hay problemas de penetración de metal dentro de los moldes, por mas que este muy sobrecalentado. Es por este motivo que las aleaciones a colar pueden tener gran colabilidad, ya que además del sobrecalentamiento del metal, es usual precalentar los moldes a muy altas temperaturas (incluso por encima de 800°C). Este precalentamiento del molde no solo incrementa la colabilidad del metal, sino que evita la rotura del molde por shock térmico. Otras grandes ventajas son la ausencia de inclusiones no metálicas provenientes del molde, ya que estos prácticamente no se erosionan y, sobre todo, la ausencia de reacciones molde/metal, ya que no hay presencia ni de agua ni de ligantes orgánicos que se degradan en presencia del metal en estado líquido. Las desventajas son dos: el costo del material (sobre todo en los moldes de gran tamaño) y la baja permeabilidad del molde, que para que sea posible se debe generar una red de micro grietas que permiten la salida del aire de la cavidad de moldeo.

Las principales aplicaciones se dan en el colado de piezas de acero inoxidable de buen tamaño para la industria alimenticia, aceros de herramienta (utilizados en la construcción de estampas de conformar: corte, embutido, doblado, etc.), puentes de extrusión, etc.

Se parte de un modelo tradicional (generalmente metálico o polimérico, incluso hasta de madera, naturalmente bien impermeabilizado), se lo enmarca y se procede a colar la mezcla cerámica: 100% Zr + ligante, generalmente 100 ml de etil silicato hidrolizado, por cada 0,9kg de refractario + un agente de gelación (que permite desmodelar a los 4’ al tomar la mezcla un aspecto gelatinoso). En la figura 39 se observan todos los pasos, desde el material de partida (paso 1), el ligante (2), la mezcla de ambos (3), el colado propiamente dicho de la mezcla cerámica (4), el desmodelado luego del tiempo de gelado (5), el microcrakeado generado por el quemado de los alcoholes presentes en el ligante (6), el sinterizado del molde (7) buscando incrementar las propiedades mecánica del molde. La temperatura de sinterizado es la propia para cualquier cerámico de base Zr, alrededor de 1700°C. Por último, y generalmente con el molde a alta temperatura por el propio enfriamiento desde el sinterizado, se procede a la colada del metal (8). Un aspecto fundamental es el tamaño de las microgrietas generadas en el paso 6; deberán ser los suficientemente grandes como para dejar pasar el aire de la cavidad de moldeo, pero sin que este tamaño sea tal que queden rastros sobre la superficie de la pieza fundida, a menudo visibles en función de la gran colabilidad necesaria por la operación.


Figura 39. Esquema de tareas para obtener un molde cerámico por método Shaw.

Ceras perdidas

Partiendo de que el material refractario con el cual esta confeccionado el molde es exactamente el mismo que los moldes cerámicos, esta técnica se utiliza para piezas de precisión de pequeño tamaño. Es por este motivo que las piezas obtenidas por ceras perdidas también tienen muy buena estabilidad dimensional, por lo que pocas piezas serán rechazadas por defectos superficiales o por problemas de cotas. Generalmente se cuelan por este método piezas de acero (que se cuela por encima de 1650°C), todo tipo de piezas de uso biomédico (incluidos los mecánicos dentales), así como en orfebrería, donde el concepto de NNS-FCF es crítico, ya que el gramo de oro es de alto costo y perderlo por mecanizado es prácticamente inadmisible.

En esta técnica intervienen dos tipos diferentes de moldeo. En primer término un sistema de molde permanente que generará una gran cantidad de modelos descartables de cera y en segundo término un molde descartable que se perderá una vez que el metal haya solidificado. Por este método se cuelan generalmente piezas pequeñas, contemplando que todo el árbol no pese mas de 25 – 30 kg, ya que por la propia fragilidad del molde solo se lo puede manipular manualmente.

Ceras para inyectar las hay de varias formas. Generalmente atacan moldes metálicos, en estado líquido o semilíquido (etapa 1, figura 40), se espera que disminuya la temperatura, de tal forma que se produzca el cambio de fase, y se procede al desmoldado del modelo de cera de la matriz metálica (etapa 2). Debido a que las ceras de moldeo solidifican por debajo de 80°C (temperatura muy baja), una matriz que trabaje con ceras tendrá una larga vida útil (cientos de miles, literalmente).


Una vez que se obtienen una cierta cantidad de piezas, las mismas se van adhiriendo alrededor de un tronco de cera mediante palillos, también de cera, que actuarán, una vez generada la cáscara cerámica y el posterior descerado, como los alimentadores del metal líquido desde el tronco a la cavidad de moldeo (etapa 3). Construido el árbol, se lo sumerge en una batea con el material refractario, que al tener una granulometría muy baja (400 Mesh), se mantiene en suspensión coloidal (etapa 4). Luego de tener esa primera inmersión, se lo sumerge en sucesivas etapas de manera de ir engrosando las paredes del molde, primero en cubas con la mezcla de igual granolumetría que las rociadas, y a medida que se va engrosando la capa depositada, va disminuyendo la calidad de las arenas, siendo las ultimas de tipo chamote, ya que solo actúan como respaldo (etapas 5 y 6).

Figura 40. Esquemas de tareas para obtener piezas de precisión mediante ceras perdidas.


Una vez que el molde tiene la rigidez necesaria (previo secado de alrededor de 3 hs. a 30°C), se lo da vuelta y se lo calienta a una temperatura superior a la de fusión de la cera (en este caso 80°C), fundiéndose la cera y desalojando la cavidad de moldeo por gravedad (etapa 7); la cera se recupera y se la vuelve a utilizar, previo agregado de un % de ceras nuevas mas el agregado de aditivos que le mejoran la propiedades.

Volviendo al árbol, luego del descerado se lo sinteriza, por encima de los 1500°C, con dos fines: el primero y fundamental, para incrementar las propiedades mecánicas del molde; el segundo, para eliminar vestigios de cera, que al ser un material orgánico, reaccionaría con el metal generando importantes defectos, inadmisibles para una pieza de precisión. Por otro lado, para obtener la gran colabilidad necesaria, se suele colar con temperaturas de precalentamiento de molde cercanas a 800°C, aprovechando esta temperatura durante el enfriamiento del sinterizado (etapa 8), tal como en Shaw. Por último, se lo vuelve a girar, se lo llena de metal en estado líquido, se espera a que solidifique y luego se procede a romper la cáscara, quedando el árbol armado, aunque esta vez metálico (etapa 9 y 10); un árbol listo para ser revestido se observa en la figura 41.

Figura 41. Arbol por ceras perdidas.

Un aspecto fundamental de esta técnica es que por el delgado espesor de las paredes del molde, no hace falta microfisurar las mismas para permitir la salida del aire dentro de la cavidad de moldeo. Por otro lado, no hay forma de colocar noyos y la pieza será igual a la pieza en cera moldeada, mas allá de que por la propia flexibilidad de la cera, permite un desmoldado poco traumático de la matriz metálica.

Coquillas metálicas

Este tipo de moldes se utilizan cuando se debe hacer un gran número de piezas. Si bien los moldes permanentes son de un costo mayor, el costo del mismo es prácticamente insignificante cuando se divide entre todas las piezas el cual el molde es capaz de producir. Si bien el 95 % de las aleaciones ferrosas se cuelan en moldes de arena, el 50 % de las aleaciones de Al se cuelan en moldes metálicos, ya sean por gravedad o por Die casting, mediante una asistencia por presión en cámara fría.

Desde ya que estos moldes se deberán construir de materiales metálicos que tengan un punto de fusión superior al del metal a fundir. Generalmente se utilizan para fundir metales con medio, bajo y muy bajo punto de fusión, desde 1050°C hasta 200°C y


las coquillas están construidas de acero o hierro (con puntos de fusión superiores a los 1500°C). Por otro lado, un caso emblemático son las coquillas para fabricar plomadas de pesca: debido a que lo que se funde es Pb, y este tiene con una Tf= 327°C, se lo cuela en una simple coquilla de Al, lógicamente con 660°C de Tf.

Las ventajas de los moldes permanentes respecto al moldeo en arena son estas:

* Mayor productividad; mayor rapidez, mas limpio y menor costo en grandes lotes.

* Repetitividad de las piezas obtenidas; significa que todas las piezas serán iguales.

* Mejor terminación superficial de las piezas; prácticamente no presentan defectos.

* Ausencia de reacciones molde/metal.

Las desventajas respecto al moldeo en arena son estas:

* Alto costo de la coquilla; no justificable para pocas piezas.

* Problemas para fundir metales de alto punto de fusión.

* Problemas en piezas esbeltas, ya que tienden a solidificar por las altas velocidades de extracción de calor.

* Muy baja flexibilidad para cambios en la matriz.

Para acelerar el proceso de solidificación (y aumentar de esa manera la productividad ya que si solidifica mas rápido, mas rápido se puede volver a llenar el molde), a los moldes metálicos se les suele agregar algún tipo de enfriado forzado, es decir que se enfría la masa metálica que en definitiva le extraerá calor a la pieza. Luego, como la extracción de calor es mas brusca, las piezas obtenidas en coquillas metálicas tendrán el grano mas fino y por ende mejores propiedades mecánicas.

La evacuación del aire de la cavidad de moldeo es un tema delicado, debido a la nula permeabilidad de una matriz metálica. Se deberá tener sumo cuidado en la ubicación del bebedero y, en especial, de la mazarota. Una solución para este problema es el tallado de pequeñas canaletas que van por las paredes de la matriz y que llegan hasta la cavidad. La eliminación de estos tipos de alfileres metálicos es muy simple ya que son tan finos que se desprenden con un mínimo esfuerzo. Algo similar se observa en la inyección de piezas poliméricas, incluso en el vulcanizado de elastómeros.

En la figura 42 se ve un molde metálico, mas allá de que el esquema tiene un corte para poder observar el sistema de cierre.

Figura 42. Coquilla metálica simple de accionamiento

manual.


Por otro lado, tal como ocurre en piezas poliméricas, no es complicado detectar piezas que han sido coladas en moldes metálicos, ya que en las superficies negativas suelen quedar las improntas dejadas por los extractores, las cuales son mas o menos visibles en función del tiempo que transcurre entre que se atacó la pieza y en el que actúan los extractores; cuanto mayor sea el tiempo de la pieza dentro de la matriz, menor será la impronta.

En la figura 43 se observa una coquilla de mayor calidad, con guías que aseguran un correcto cierre entre placas. Es usual automatizar procesos, tal como se observa en las figura 44.

Figura 43. Coquilla metálica guiada, con noyo metálico.

Figura 44. Sistemas automáticos para incrementar la productividad

Colada asistida por presión

Es un método para grandes producciones, utilizado para metales no ferrosos, y donde el principio de funcionamiento es el llenado de una coquilla metálica mediante la asistencia de presión, tal como la inyección de polímeros. Son sumamente eficaces ya que aparte de generar un gran número de piezas, prácticamente no necesitan mecanizados posteriores. El método de colada es introducir en forma violenta una porción de metal en estado líquido (o pastoso, sino esta tan caliente) dentro de una matriz perfectamente diseñada. Si bien la forma de aplicar la presión para introducir el metal dentro de la matriz puede ser de variadas maneras, se pueden subdividir en dos tipos:


Cámara Fría: en este método, y tal como se lo ve en la figura 45, al metal en estado líquido se lo coloca, manualmente o en forma automática, dentro de una cámara de presión (etapa 1). Rápidamente el metal es inyectado hacia la matriz (die) por medio de un émbolo o pistón (etapa 2). Estos métodos se utilizan para producciones de hasta 120 piezas por hora, es decir que entre carga, presión del émbolo y apertura de la matriz para sacar la pieza terminada, no tardará mas de 30 seg (etapa 3). La ventaja respecto del moldeo en cámara caliente es que el sistema es independiente del horno que mantiene al metal fundido. Generalmente no se utilizará para piezas mayores de 6 Kg en aleaciones a base de Al, Sn, Pb, de 4 Kg para piezas a base de Cu y de 1 Kg para aleaciones a base de magnesio. Se deberá tener especial cuidado con el diseño de la matriz ya que sino se complica la extracción de la pieza.

Figura 45. Máquina para colada a presión por cámara fría.

Cámara Caliente: el equipo para este tipo de colada se divide en dos partes: un conjunto matriz-pistón, similar al anterior, y un sistema (generalmente a través de un horno de tipo crisol) que mantenga al metal en estado líquido manteniéndolo a una temperatura óptima. Debido a las exigencias térmicas propias de la operación, solo se utiliza para inyectar piezas de aleaciones de muy bajo punto de fusión, es decir por debajo de 450°C, las cuales son aleaciones a base plomo, base estaño y base zinc; si se controla la atmósfera a través de gases inertes de tal manera que eliminen la presencia de oxígeno y de esa forma evitar la corrosión, se pueden inyectar aleaciones de magnesio. Tal como se ve en la figura 46, una porción de metal fundido que esta dentro del crisol es empujado por un émbolo y de tal forma este corre a lo largo de un conducto (gooseneck) hasta introducirse en la matriz propiamente dicha. Si bien la apertura de matriz para retirar la pieza puede ser manual, como generalmente el tamaño de las piezas es chico (de no mas de 300 gr., aleaciones con δ=4-5gr/cm3), mediante automatización, tanto de la carga como de apertura y cierre de la matriz, se pueden obtener hasta 1000 piezas por hora, es decir que realiza todo el ciclo en no mas de 3 seg. y fracción. Una ventaja de este método es que el metal no entra en contacto con el aire; luego se evitan todo tipo de inclusiones no metálicas en formas de óxidos, aparte de la seguridad del operario (disminuyendo el riesgo por quemaduras).


Figura 46. Máquina para colada a presión por cámara caliente.

Modelos Vaporizantes

Este tipo de técnica de moldeo es particular ya que no hay operaciones de desmodelado, debido a que el modelo se evapora cuando toma contacto con el metal en estado líquido. Esto significa que el modelo quedará dentro del molde, aún antes de colar el metal líquido. Luego, la generación de una gran cantidad de humos dentro de la cavidad de moldeo, hace necesaria la utilización de arenas no ligadas de tal forma que la permeabilidad sea lo mayor posible.

El material mas usado para este tipo de modelo son los polímeros celulares, y dentro de ellos, el PSExp. (Poliestireno expandido – Telgopor) y el Exporit (espumas base úrea); sin embargo, como los gases emanados del telgopor son altamente tóxicos (y esto no es problema si se cuela un prototipo o una cantidad mínima de piezas, pero si lo es si se mantiene una producción en serie), generalmente se recurre al Exporit, el cual no desprende gases tóxicos pero es de costo mas elevado.

Este tipo de modelo se utiliza cuando la pieza tiene una geometría tal que se hace imposible de generar mediante un conjunto de modelos y noyos. La particularidad de este sistema es que se puede contemplar ir armando la cavidad de moldeo a medida que se llena de arena el marco en cuestión. Debido a que el PSExp. del modelo no es rígido, se debe tener cuidado en el apisonado ya que una deformación en el mismo generará una futura deformación sobre la pieza terminada. En este tipo de colada, que hay una gran generación de gases, siempre es necesario buenos venteos; inclusive, tanto el bebedero como mazarota serán del material vaporizante.

De la misma forma que en una colada normal en arena, se deberán tener en cuenta las contracciones del metal. En este método se puede obviar el tema de los ángulos de salida ya que no se debe retirar el modelo una vez terminado el moldeo.


Es usual pintar a este tipo de modelos con alguna pintura cerámica de granulometría muy fina, por ejemplo con harinas de Zirconio, de forma que se genere una cáscara sobre las paredes del modelo y el mismo no se deforme durante el manipuleo de la operación del moldeo; esta pintura debe ser lo suficientemente fina como para mantener una alta permeabilidad (figura 47). Un aspecto muy importante será la δ del PSExp., ya que cuanto mas denso es, mejores propiedades tiene y es mas fácil de mecanizar (no se desgrana, típico de los telgopores de baja densidad), pero mayores serán las reacciones modelo/metal, y mayores la cantidad de humos a evacuar. Es muy usual que piezas moldeadas por estas técnicas queden sopladas.

Figura 47. Modelo vaporizante con pintura cerámica dentro de un molde de arenas no

consolidadas.

Una gran ventaja de esta técnica es que se pueden obtener piezas huecas sin presencia de noyos, tal como se ve en la figura 48 en la comparación entre utilizar un modelo normal y uno perdido. Por otro lado, al no haber sobre y bajero ni noyos, significa que la pieza final no tendrá ningún tipo de rebabas a eliminar.

Figura 48. Comparación entre moldeo convencional y moldeo con modelo vaporizante

Colada centrífuga

La colada centrífuga se divide en dos técnicas que nada tienen que ver una con otra. Las de eje horizontal, adecuadas para piezas de revolución huecas y las


centrifugadas por eje vertical, para piezas que deben tener alta colabilidad y entonces se busca una fuerza adicional, en este caso debido a las fuerzas centrífugas. Esto significa que por centrifugado se siguen incrementando las formas tradicionales de incrementar la colabilidad: modificar la composición química; si no es posible, sobrecalentar el metal; si no es posible, precalentar el molde y si no es posible, asistir por centrifugado.

En estos procedimientos el metal líquido se introduce en el molde, el cual gira con rapidez, y producto de la aceleración centrífuga el metal se proyecta hacia las paredes del molde. Luego este se endurece y forma una pieza con una dada geometría.

Colada centrífuga horizontal: en el colado con eje de rotación horizontal, el molde gira a altas velocidades de manera que el espesor de las paredes de la pieza cilíndrica hueca resultará uniforme. La ventaja de este tipo de colada es que como el metal es impulsado con fuerza sobre el molde, quedan muy pocas burbujas de aire retenidas, logrando de ese modo muy buenas terminaciones. Se obtienen piezas de gran estabilidad dimensional y aparte es apropiado para grandes producciones. El uso típico de este tipo de colada es para tubos huecos usados en desagües y/o alcantarillas. En la figura 49 se ve un corte de la matriz de moldeo, donde se puede apreciar tanto la cuchara con la cual se vierte el metal líquido como el cabezal giratorio que hace girar a la matriz.

Figura 49. Colado por centrifugado horizontal; se las utiliza para piezas

huecas de revolución.

Colada centrífuga vertical: este tipo de colada se utiliza cuando por problemas de copiado se necesita una fuerza impulsora que incremente la colabilidad del material. Este tipo de asistencia, también llamada Spin Casting, puede ser tanto con moldes metálicos, con moldes de caucho siliconado, con moldes por ceras perdidas y en definitiva, con cualquier molde que tenga un eje de rotación vertical que pase por el basín de colada. Las ventajas de los moldes de caucho siliconado es que mediante calor y temperatura se puede endurecer dicho caucho sobre una serie de piezas originales y de esa forma obtener una matriz en un lapso de 2 hs; esto es imposible de pensar si se quiere realizar una matriz metálica (figura 50). El inconveniente es que las matrices de caucho siliconado solo pueden operar con temperaturas no mayores a los 500°C. Mas allá de que se pueden colar aleaciones de base Al, generalmente no admiten mas de 50 ciclos, mientras que para aleaciones de base Zn admiten mas de 500 ciclos. De la misma forma, es sumamente útil cuando se desean obtener piezas poliméricas, sobre todo en termorrígidos (que se cuelan a temperaturas ambientes, mas allá de alguna reacción exotérmica de no mas de 50 grados de calentamiento), pero no así en termoplásticos (cuando en algunos de ellos las Tf son superiores a los 350°C). Otra ventaja del caucho siliconado es que como el material es deformable (aunque luego toma su forma original), se puede desmodelar fácilmente, aunque tenga algún tipo de cara negativa. En la figura 51 se


pueden apreciar tanto el proceso de colada, como la disposición de las piezas dentro de la matriz; nótese tanto el distribuidor, los canales alimentadores y las bolillas separadoras.

Figura 50. Colada mientras centrifuga el molde, incrementando la colabilidad.

Figura 51. Colada centrífuga vertical, tallado y vulcanizado de los moldes de caucho siliconado.

2.1.6.- FUSION Y COLADA DEL METAL

Fusión del metal

Tal como se vio, en aleaciones ferrosas, la primer fusión se realiza para eliminar el O del mineral rico en óxidos de Fe. Esta reducción se realiza en altos hornos, y en función de la calidad del arrabio, si es buena se lo destina para convertirlo en acero (utilizado para productos planos, perfiles, estructurales, etc.) mediante los diferentes hornos de refinación, mientras que si es de alto S o P se lo destina para una segunda fusión, para alimentar piezas coladas por fundición. Para efectuar esta segunda fusión generalmente se usan los siguientes hornos: de cubilote y eléctricos, tanto de inducción como de arco. En caso de aleaciones de base Cu y base Al, esta segunda fusión generalmente se inicia en hornos de reverbero, mientras que el ataque a los moldes se realiza desde pequeños hornos de crisol, comúnmente llamados hornos de mantenimiento. Estos, no solo mantienen la Tf apropiada, sino que sirven para alear, desgasificar, y en definitiva, darle el tratamiento necesario al metal base. Estos hornos de crisol generalmente no alcanzan


mas de 1100°C, por lo que para mantener aleaciones base Al no hay mayor problemas, mientras que en aleaciones base Cu la capacidad de calentamiento ya esta mas ajustada.

Hornos de cubilote

En rasgos generales, estos hornos no dejan de ser pequeños altos hornos, siendo los mismos ampliamente usados para obtener únicamente fundiciones de Fe. Estos hornos se cargan con arrabio, chatarra de acero y el propio retorno de la fundición como carga metálica, coke como material combustible y la presencia de algún fundente para mejorar la colabilidad del metal. La carga se ingresa por la parte superior mientras que aire caliente se inyecta por la base del crisol. El hierro se puede colar en forma continua o cada determinado tiempo; lógicamente, la carga se suministra con la misma frecuencia, es decir, de forma continua o alterna.

El tamaño de estos hornos es muy variable, desde 0,5 Tn/h hasta 30 Tn/h . Es usual que se usen combinados con hornos eléctricos de arco (también de gran tamaño, aunque de carga discreta), es decir, obteniendo la primer fusión del hierro en el cubilote, pero de forma tal que el sobrecalentamiento y el control de la composición química se realice en los hornos eléctricos.

Un aspecto crítico en estos hornos es el control de la composición química, ya que por el gran volumen de chatarra que consumen, a menudo no se puede realizar una correcta clasificación de la misma, y como ejemplo, no se debe olvidar que hay tanto aceros como fundiciones con tenores de Cr de hasta 30%. Por otro lado, en los cubilotes de mayor capacidad, el espesor de la pared refractaria alcanza valores de hasta 300 mm. Desde ya que estos hornos no presentan una buena calidad del metal fundido debido a que el mismo se encuentra tanto con el combustible como con las llamas. No obstante, las velocidades para fundir el metal son muy altas, aparte de permitirme un proceso continuo y no intermitente como en los hornos de crisol y reverbero. El esquema del horno se observa en la figura 52. Antes de cargar el arrabio se debe preparar un lecho de combustible (una fina capa de astillas de madera) y a continuación el coke. Luego la carga se alterna con una capa de arrabio y chatarra con otra capa de combustible (coke); cada tanto se le puede agregar un poco de piedra caliza como fundente.

Figura 52. Horno de cubilote.


Cuando los hornos no son de funcionamiento continuo, cada vez que se realiza una colada, salvo que se trabaje con la misma composición química, se debe limpiar completamente el horno.

Hornos eléctricos

Hornos eléctricos, típicos por la precisión de la composición química en función de que las corridas son discretas, los hay de dos tipos:

Hornos de arco: son hornos de buena capacidad, desde 200 kg hasta mas de 10 Tn. El principio de funcionamiento se basa el un arco eléctrico que se establece ya sea entre electrodos (que van inmersos en la carga) o entre los electrodos y la carga propiamente dicha. Este arco no solo calienta (se estima que la temperatura de una chispa estaría por encima de los 7000°C, pero al ser una temperatura de flash es muy difícil de evaluar) sino que por la violencia del mismo, genera una agitación que promueve la uniformidad tanto de temperatura como de composición. Se los suele cargar con el metal que sale de los cubilotes. Los electrodos son de grafito y de gran tamaño, por lo que hay una muy leve contaminación por C en la composición química (figura 53).

Figura 53. Horno eléctrico de arco.

Hornos de inducción: estos hornos son mas pequeños, generalmente no mayores a 300 kg de capacidad. El calentamiento se produce a través de una bobina que genera líneas de campo que atraviesan la carga metálica. Son hornos con un sofisticado control de sus parámetros eléctricos, y son capaces de generar calentamientos de hasta 1700°C. Utilizados para colar aceros y hasta para fundir pequeños implantes dentales o en orfebrería, el control de la composición química es muy preciso. También utilizado para fundiciones, en estos casos el problema es el decaimiento del porcentaje % de C con el tiempo de sobrecalentamiento, ya que el C reacciona con el O y se va en forma de CO y CO2. Las técnicas de colada por precisión, tanto Shaw como Ceras perdidas, se las suele colar con metales provenientes de este tipo de hornos (figura 54).

Figura 54. Horno eléctrico de inducción.


Hornos de reverbero

Consisten fundamentalmente en una cámara con un techo abovedado y un suelo con cierta inclinación. En este tipo de horno el combustible no está en contacto con el metal a fundir, pero si lo está la llama. Si el combustible esta en estado sólido, tal como se observa en la figura 55, el hogar estará separado, aunque adosado, a la cámara del horno. Se busca que la llama sea larga y se la hace correr a lo largo del techo de la bóveda.

Figura 55. Horno de reverbero.

En los hornos calentados por llamas generadas por gas, en una pared se ubican los quemadores y en la otra la chimenea. Mas allá de que se los utiliza como horno de primera fusión en aleaciones base Al, aparte de requerir un gran tiempo de calentamiento, el contacto de la llama con el metal le agrega muchas impurezas. Por otro lado, existen hornos rotativos, que son la combinación de hornos de reverbero y hornos de crisol. Mientras la llama calienta el techo, la lenta rotación (no mayor a 1-2 RPM, según la capacidad del horno) convierte el techo en piso, así continuamente, calentando a la carga entonces por radiación y convección (desde el techo hacia la carga) y por conducción (desde el piso hacia la carga).

Hornos de crisol

Son también empleados para fundir aleaciones de baja densidad. Sus tipos y tamaños son muy variados, pero todos consisten fundamentalmente en una cámara cerrada (revestida con ladrillos refractarios), dentro de la cual se aloja el crisol; son de muy fácil construcción. Los hay fijos, tal como lo muestra la figura 55, en donde el metal se extrae o bien sacando el crisol o introduciendo una cuchara dentro de el; o móviles, de manera que puedan bascular alrededor de un eje y facilitar la carga (figura 56). La calidad es altamente satisfactoria ya que el metal no se encuentra en contacto directo con las llamas


o el combustible, por lo que no hay una contaminación de la composición química. Los crisoles generalmente son de dos tipos: de grafito y de carburo de silicio.

Figura 55. Horno de crisol fijo.

Figura 56. Horno de crisol basculante.

Colada del metal

Esto no es mas que el acto de llenar los moldes con el metal fundido y se realiza mediante la asistencia de cucharas las cuales pueden operarse manual o mecánicamente (figura 57). Generalmente en estas cucharas se realizaran los tratamientos necesarios al metal base, procediendo después a una buena desescorificación, ya que en caso de que esto no ocurra, quedarán dentro de la pieza colada como inclusiones no metálicas. En la figura se observa que en el maneral de la cuchara manual, uno de los extremos solo actúa como base de apoyo, ya que la operación en si la maneja el fundidor, manteniendo un caudal de llenado uniforme.

En el caso de utilizar una cuchara demasiado grande se debe tener un diseño de la misma tal como se observa en la figura 58, ya que al alimentar desde el fondo de la cuchara no hay presencia de escorias debido a que al tener menor densidad, flotan sobre el metal a colar; por otro lado, se evitan salpicaduras. La distancia entre los hornos y los moldes será la menor posible, evitando de esa forma una pérdida de temperatura del metal, con la consiguiente caída de colabilidad del metal a colar.


Figura 57. Cucharas necesarias para colar el metal fundido. La cuchara superior, para atacar manualmente: la inferior, con un sistema de volteo mecánico.

Figura 58. Cuchara para colar tipo Tetera, tomando metal fundido del fondo y evitar el ingreso de escorias.

Por último, la geometría de los canales de alimentación no es caprichosa, sino que se justifica como definiendo si los moldes son presurizados o no, así como trampas laberínticas con la finalidad de atrapar escorias. Es usual la utilización de filtros dentro de los canales de alimentación, y si bien es cierto que disminuyen colabilidad, evitan la presencia de escorias como inclusiones no metálicas dentro de la pieza colada.


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