FUNDICION

FUNDICIÓN - Prof. Carlos Acosta 1

FUNDICIÓN• Proceso mediante el cual una sustancia

sólida se derrite por la acción del calor. Este material se deja solidificar dentro de un molde obteniéndose piezas de diversas formas y dimensiones.

• Proceso muy antiguo y considerado arte en muchas de sus etapas.


FUNDICIÓN


NOCIONES BÁSICASSOLIDIFICACIÓN DE LOS METALES

El tipo de enfriamiento afecta grandemente el tamaño, forma y uniformidad de los granos, que afectan las propiedades de la pieza fundida.

FACTORES IMPORTANTES- Tipo de metal- Propiedades térmicas del metal y del molde- La relación volumen/área de la pieza- La forma del molde.


METALES PUROSTienen un punto de fusión y solidificación determinado.

Aluminio 660 °C

Hierro 1538 °C

Tungsteno 3410 °C


SOLIDIFICACIÓN DE METALESLa solidificación empieza en las paredes y continua hacia el centro. • Las paredes con una fina capa de

granos equiaxiales.• Los granos crecen en la dirección

opuesta a la transferencia de calor.

• A medida que la transferencia de calor se hace más lenta (al centro), los granos vuelven a ser equiaxiales.

• El tamaño de grano grande da como resultado una baja resistencia y dureza.

• Un enfriamiento demasiado rápido genera dureza y fragilidad.


ALEACIONES• Solidifican parcialmente sobre un rango de temperatura.• Por la acción de un catalizador se puede obtener una

estructura de granos equiaxiales homogénea en toda la masa.

• Otra forma de obtener una estructura homogénea es eliminar los gradientes térmicos.

• Se generan dendritas en el metal líquido.• Las dendritas inclusive pueden tener distinta

composición tanto en su superficie como en su centro.


ALEACIONESCURVA DE SOLIDIFICACIÓN


ALEACIONESDIAGRAMA DE FASES Fe-C


DENDRITAS


CONTRACCIÓN DE LOS METALES FUNDIDOS


TIEMPO DE SOLIDIFICACIÓN

Fórmula de ChvorinovT.S. = C (Volumen/Área) 2

La constante C incorpora las características del metal fundido (densidad, conductividad térmica, punto de fusión), del material del molde (densidad, conductividad térmica), espesor del molde, condición de la colada, y otros factores. La constante C se determina experimentalmente.


CONTRACCIÓN Y POROSIDAD

Los metales se contraen a la hora de enfriarse.– Excepción: el hierro fundido gris se expande por la

precipitación de las laminillas de grafito.

La contracción causa:– Cambios dimensionales– Porosidad– Fracturas


CONTRACCIÓN Y POROSIDADContinuación

Ejemplo:Material % en volumenAluminio 6.6 %Acero al Carbono 3.0 %Cobre 4.9 %Hierro Gris +2.5 %Magnesio 4.2 %Zinc 6.5 %


POROSIDAD POR CONTRACCIÓNLas regiones delgadas solidifican más rápido que las

regiones gruesas.Ejemplo de porosidad por contracción.

Forma de los poros: Irregular

Microporosidad: Se puede desarrollar también al solidificarse el metal entre dendritas.


Formas de evitar esta porosidad:

1.- Cambio del diseño.

2.- Suministrar adecuadamente el metal líquido en estas regiones críticas con el uso de rebosaderos.

3.- Usar puntos fríos externos o internos hechos del mismo material o de cobre enfriado por agua para aumentar la tasa de transferencia de calor.

POROSIDAD POR CONTRACCIÓN


PUNTOS FRÍOS


SOFTWARE DE ANÁLISIS

Pieza a fundir Modelo Tridimensional


SOFTWARE DE ANÁLISIS

Tiempo de llenado Tiempo de solidificación


POROSIDAD CAUSADA POR GASES

Hidrógeno, Nitrógeno y Oxígeno producen porosidad.Pueden también causar MicroporosidadForma de los poros: burbuja esférica

Manera de eliminarla:1.- Uso de respiraderos2.- Flasheo o Purga con un gas inerte o uso

de desgasificantes.3.- Por Fundición al vacío.


FLUJO DE METAL DERRETIDO

Rebosaderos: El propósito es proveer material derretido, con el fin de evitar cavidades por contracción. Un rebosadero mantiene el material en estado líquido mas tiempo.

El diseño requiere conocimientos de:- Mecánica de fluídos- Transferencia de calor- Resistencia mecánica


El diseño debe tratar de evitar

- Atrapar Gases.- Formación de óxidos por exposición a la atmósfera.- Introducción de impurezas.- Turbulencia: el flujo de metal erosionará las paredes del

molde.- Aspiración: Atrapar aire en la parte interior debido a un diferencial de presiones. Esto se puede dar por la

turbulencia.- Evitar cambios bruscos en la sección.

FLUJO DE METAL DERRETIDOCONTINUACIÓN


Para evitar el flujo de impurezas:

FLUJO DE METAL DERRETIDOCONTINUACIÓN


Usando la ecuación de Chvorinov:Para una pieza de acero de 3” x 5” x 1” se le debe diseñar un rebosadero. Por pruebas se ha determinado que el tiempo de solidificación es de 1.6 min. para esta pieza. El rebosadero cilíndrico debe tener una relación D/H = 1.0. Determinar las dimensiones del rebosadero para que tenga un T.S. = 2 min.

SOLUCIÓN:Para la pieza: V = 3x5x1 = 15 in 3

A = 2 ( 3x5 + 3x1 + 5x1) = 46in2

C = T.S. / (V/A) 2= 1.6 / (15 / 46) 2= 15.05 min/in 2

DISEÑO DE REBOSADEROS


Como el rebosadero estará en las mismas condiciones de la pieza, su C es la misma:

Para el rebosadero:V = (π / 4) x D 2 x h = (π D 3 / 4)

A = π x D x h + 2(πD2 / 4) = πD2 + πD2 / 2 = 1.5πD2

V/A = (π D 3 / 4) / (1.5πD2 )= D / 6

T.S. = 2 = 15.05 ( D / 6 )2 = 0.418 D2 D = 2.187 inh = 2.187 in

NOTA: Vol. del rebosadero = [π(2.187)3 ] / 4 = 8.216 in3

Representa solo el (8.216/15) x 100 = 55% del volumen de la pieza con un tiempo de solidificación mayor en 25%

DISEÑO DE REBOSADEROS


De acuerdo al teorema de Bernoulli:h 1 + P1/ρ + (v1)2 /2g + f1 = h2 + P2/ρ + (v2)2 /2g + f2

O O O OIgualdad de energía entre los puntos 1 y 2 del flujo.

Se puede simplificar despreciando las pérdidas (no siempre será asi) y considerando que es un sistema abierto a la atmósfera.

h1 + (v1)2 /2g = h2 + (v2)2 /2gSi se fija el nivel de referencia a la entrada a la cavidad h2 = 0 y se considera que al momento de la colada la velocidad inicial es v1 =0

h1 = (v2)2 /2g v2 = 2gh

CÁLCULO DEL TIEMPO DE LLENADO DEL MOLDE


Otra relación importante es la ecuación de continuidad que dice que la masa que entra es igual a la masa que sale.

m = ρ v1 A1 = ρ v2 A2y como la densidad es la misma

V = v1 A1 = v2 A2donde A2 es el área del orificio de entrada a la cavidad.

Las 2 ecuaciones anteriores indican que el canal de alimentación debeser cónico. La velocidad se incrementa al ir descendiendo el metalfundido por el canal de alimentación y si el área no se reduce se podría

aspirar aire en el líquido

Tiempo de llenado= V / V



EJEMPLO:Un determinado molde cuenta con un canal de alimentación de 200 mm de altura y un área de 258 mm2 de sección de paso del orificio de entrada a la cavidad. La cavidad del molde tiene un volumen de 1’638,706 mm3 , se te pide determinar:

a) la velocidad a la entrada del moldeb) el flujo volumétrico del metalc) el tiempo de llenado del molde.

SOLUCIÓN:a) v = 2 x 9.8 x 0.2 = 1.98 m / segb) V = (1.98) x (1000) x (258) = 510,840 mm3 / segc) T.LL. = 1’638,706 / 510,840 = 3.2 seg



FUNDIBILIDADRepresenta la habilidad de un metal fundido de fluir fácilmente en el molde sin mostrar una solidificación prematura que pueda evitar el correcto llenado de la cavidad. La fundibilidad depende en gran medida de la viscosidad y la temperatura del metal fundido mientras que la presencia de impurezas la afectan severamente. Un ensayo de fundibilidad común considera la longitud máxima que puede fluir un metal fundido en una cavidad espiral hecha en arena.


Cuando:- La geometría es compleja y debe producirse en gran número de

partes.- La parte es única, generalmente de gran tamaño- Las propiedades del material indican pobre maquinabilidad - La pieza posee grandes secciones transversales- Se trabajan metales preciosos

CONSIDERAR PIEZAS FUNDIDAS


MOLDE PERMANENTE- Metal- Dados- Centrífuga, Semicentrífuga,

Centrifugada- Comprimida (squeeze)

CLASIFICACIÓN DE LOS PROCESOS DE FUNDICIÓN

MOLDE DESECHABLE- Arena- Yeso o Cerámica- Cascarón- Cera Perdida- Patrón Evaporativo

ESPECIAL- Mono-cristal- Contínua- Spray-Casting


FUNDICIÓN EN ARENA

Preparación del modelo con sistemas auxiliares y corazones

Moldeo

Proceso prevalente mas difundido de fundición

Colada

Preparación de arena

Fundición en horno

Solidificación y extracción(separación del sistema de vaciado)

Tratamiento térmico

Limpieza y acabado

Inspección


FUNDICIÓN EN ARENACOMPONENTES DE UN MOLDE


FUNDICIÓN EN ARENAARENAS Y PREPARACIÓN

- SiO2 de roca y granito: Barata y resiste grandes temperaturas.

Características:Refractabilidad: - Resistencia a altas temperaturas.Permeabilidad: - Para permitir el escape de gases y

vapores.Cohesión y Resistencia: - Para reproducir y conservar la forma del

modelo.Poder de disgregación: - Para permitir la extracción de la pieza.Buena colapsabilidad: - Para permitir que la pieza se contraiga

durante el enfriamiento.Buen control de humedad - Arenas húmedas enfrían la pieza rápidamente.Ejemplo de selección: Los granos finos dan buena resistencia y cohesión peropoca permeabilidad


FUNDICIÓN EN ARENACICLO DE UTILIZACIÓN DE LA ARENA DE MOLDEO


FUNDICIÓN EN ARENAEQUIPO PARA MANEJO DE LA ARENA


FUNDICIÓN EN ARENAAGLUTINANTES

Sirven para dar consistencia a los moldes hechos de arena. Se usan:Arcillas y Bentonitas, Cementos y Silicatos, Cereales, Lignita, Melaza, Alquitrán, Aceites, Agua

ARENA VERDE- Arena húmeda- Económica- Usada para los moldes

ARENA SECA- Para aumentar cohesión- Más resistente- Provee de colapsabilidad del molde- Menor producción por el tiempo de horneado para la arena- Usada para los corazones. Se prefiere el grano grande para la permeabilidadpara los gases


FUNDICIÓN EN ARENAPATRONES O MODELOS

• Utilizados para moldear la arena a la forma de la pieza que se va a producir.

• Son hechos de madera, yeso, plástico o metal dependiendo de: Tamaño y forma, precisión dimensional y cantidad.

• Se utilizan también combinación de materiales para eliminar el desgaste o combinación de maderas.

• Se recubren con un agente de partición.

Modelo de MaderaPara pequeñas cantidades o para producir prototipos de análisis.

Modelo de Aluminio Para medianas cantidades

Modelo de Fierro Para grandes cantidades.


FUNDICIÓN EN ARENA PATRONES O MODELOS

El diseño del modelo incluye:

a) Excedentes por contracciónEs el aumento de las dimensiones del modelo para compensar la contracción del metal al enfriarse.

b) Excedentes para maquinadoEs el aumento de las dimensiones del modelo para proveer un excedente de material que hay que maquinar posteriormente. Esto dependen del tipo de metal, diseño de la pieza, y método de limpieza.


ALEACIÓN DIMENSIONES DEL PIEZAS CON CONTRACCIÓNMODELO, PIEZAS CORAZONES (mm) LINEAL EN %MACIZAS (mm)

Fundición Gris Hasta 600 Hasta 600 1De 630 a 1200 De 630 a 920 0.85Más de 1200 Más de 920 0.7

Fundición Gris de Hasta 600 Hasta 600 1.3Gran resistencia De 630 a 1200 De 630 a 920 1.05

Más de 1200 Más de 920 0.85

Fundición Blanca 1.5 - 1.6Colada en Arena

Fundición Blanca 1.8Colada en Coquilla

Fundición Maleable:Espesor alrededor de:

- 3 mm 1.3- 10 mm 1.0- 20 mm 0.7

Acero Hasta 600 Hasta 450 2.0De 630 a 1800 De 480 a 1200 1.55Más de 1800 De 1220 a 1675 1.3

Más de 1675 1.1

Bronce Mecánico con10% de Estaño 1.4

Latón con 37% de Zn 1.6

Latón con 40% de Zn 1.8

Aluminio y sus Alea- Piezas pequeñas Piezas pequeñas 1.3 - 1.5ciones Piezas medianas Piezas medianas 1.2 - 1.3

Piezas grandes Piezas grandes 1.1 - 1.2

Aleaciones de Magnesio 1.1 - 1.4

Metal Blanco Antifricción 0.2 - 0.3(Aleación de plomo y estaño)

FUNDICIÓN EN ARENA EXCEDENTES DE CONTRACCIÓN


FUNDICIÓN EN ARENA EXCEDENTES PARA MAQUINADO

ALEACIÓNES DIMENSIONES DEL CARAS CARASFUNDIDAS MODELO(mm) INTERNAS (mm) EXTERNAS (mm)

Fundición de Hasta 304.8 3.175 2.381Hierro 330.2 a 609.6 4.76 3.175

635 a 1066 6.35 4.761092 a 1524 7.937 6.351549 a 2032 9.525 7.9372057 a 3048 11.11 9.525Más de 3048 Instrucc. Instrucc.

Espec. Espec.

Fundición de Hasta 304.8 4.76 3.175Acero 330.2 a 609.6 6.35 4.76

635 a 1066 7.937 7.937 1092 a 1524 9.525 9.5251549 a 2032 12.7 11.112057 a 3048 15.875 12.7Más de 3048 Instrucc. Instrucc.

Espec. Espec.

Hierro Maleable Hasta 152.4 1.587 1.587152.4 a 228.6 2.38 1.587228.6 a 304.8 2.38 2.38304.8 a 609.6 3.968 3.175609.6 a 889 4.76 4.76Más de 3048 Instrucc. Instrucc.

Espec. Espec.

Latóm, Bronce y aluminio Hasta 304.8 2.38 1.587 330.2 a 609.6 4.76 3.175635 a 914.4 4.76 3.968Más de 914.4 Instrucc. Instrucc.

Espec. Espec.


FUNDICIÓN EN ARENAPATRONES O MODELOS

c) Ángulos de salidaSon aquellos ángulos necesarios para la extracción del modelo fuera del molde sin dañarlo.

3° si es desmoldeo a mano1° si es desmoldeo con máquina.

d) DistorsiónCiertas formas en U se distorsionan al enfriarse, de tal manera que el modelo intencionalmente se distorsiona en dirección contraria para que al enfriarse la pieza tome la forma deseada.

e) Soportes de corazones


DIFERENTES TIPOS DE MODELOS

Para cantidadesmoderadas deproducción

Para geometríasmás complejas

Para geometrías simples y pequeñascantidades

Para producciónen serie


FUNDICIÓN EN ARENACÓDIGO DE COLORES EN PATRONES


FUNDICIÓN EN ARENA LÍNEA DE PARTICIÓN (LP)

Representa la superficie que divide al molde en las partes que forman las cavidades de las semicajas superior e inferior.

Criterios:1. Debe ser recta de preferencia2. Si coincide con un plano de la pieza es mejor3. Corre a lo largo de la sección más ancha de la pieza y de

preferencia debe generar una cavidad lo menos profunda posible Generalmente el canal de alimentación corre a la altura de la línea de partición.

4. Los corazones deben colocarse a la altura de la LP.


UBICACIÓN DE LA LÍNEADE PARTICIÓN

La línea de partición del diseño (B) no es recta y la pieza es mas difícil de fundir que la pieza (A).


UBICACIÓN DE LA LÍNEADE PARTICIÓN


FUNDICIÓN EN ARENACONSIDERACIONES ADICIONALES PARA MODELOS

1. Redondear las esquinas exteriores con r = (0.10 a 0.20)w, donde w es el ancho de la pieza.

2. Usar radios de empalme de al menos el valor del espesor de la sección mas delgada.

wr

rr

r

r = t

t


FUNDICIÓN EN ARENA3. Todos los cambios de sección deben ser suaves.a)

MAL MEJOR MUCHO MEJOR

r = 0.01 t

t

r = t r = 4 t


FUNDICIÓN EN ARENA

MAL


FUNDICIÓN EN ARENACORAZONES

• Se usan para formar las cavidades de las piezas• Son colocados en la cavidad del molde antes de cerrarlo y forman

las superficies internas de la pieza.• Pueden ser de Arena Verde o de Arena Seca.• Se prefieren los de Arena Seca por poseer mejor resistencia,

permeabilidad (usar grano grande) y colapsabilidad. • Pueden ser reforzados por alambres internos• Algunas veces poseen canales internos para la fuga de gases.• A veces necesitan apoyos auxiliares (“chaplets”)• Se debe evitar el uso de corazones con diámetro menor a “t”, de

preferencia deben ser mayores o iguales a “2t”, en donde “t” es el espesor de pared circundante.

• En general evitar corazones con diámetro menor a 19 mm.


FUNDICIÓN EN ARENAFUERZA DE FLOTACIÓN DE LOS CORAZONES

Un corazón sumergido en metal pesado flota con una fuerza proporcional a la diferencia entre su masa y la masa del metal desplazado.

Ejemplo:Corazón V= 1dm3 m= 1.6 kg

H. Fundido ρ = 7.2 kg/dm3

Fuerza de flotación = (7.2 - 1.6) x 9.8 = 55 N


USO DE LOS CORAZONES


FUNDICIÓN EN ARENACORAZONES DE ARENA VERDE


FUNDICIÓN EN ARENAMANUFACTURA DE LOS CORAZONES

Máquinas para la manufactura de corazones.

Los corazones de formas y secciones

rectangulares pueden extruirse en una máquina como la que se ilustra en la figura y cortarse a longitud. Se deja un agujero central de venteo mediante un alambre que se extiende desde el centro del tornillo.Los corazones grandes se hacen como los moldes en máquinas de sacudida y volteo, lanzadoras de arena y otras. Los corazones de tamaño medio y pequeño con formas irregulares pueden hacerse a mano pero se producen encantidades en una máquina sopladora de corazones.


FUNDICIÓN EN ARENAHORNEADO DE CORAZONES

El secado solo no es suficiente para muchos corazones, otros se ligan con aceites ydeben hornearse para conseguir la dureza y resistencia finales. El propósito de estehorneo es eliminar la humedad, oxidar el aceite y polimerizar el aglutinante.Con aceite de linaza, la temperatura se eleva a una velocidad moderada, casi 200°Cpor cerca de una hora y entonces se permite que baje lentamente a las condicionesambientales. Si el mismo corazón de hornea con rapidez a 260°C quedará quemadoen la superficie y crudo en el centro.Los aceites y otros aglutinantes del corazón que deben hornearse han sidoreemplazados en su mayor parte por otras sustancias que requieren menos energía.Común entre estas esta el silicato de sodio (vidrio de agua) que se mezcla con laarena y se endurece en el corazón a unos cuantos segundos cuando se pone encontacto con CO2. El corazón puede usarse entonces en el molde de manerainmediata. Una desventaja principal del silicato de sodio y de algunos otrosaglutinantes sin horneo es que deben mezclarse con arena solo durante un tiempocorto antes del uso debido a que se endurecen bastante pronto en la exposición alaire. Están disponibles y tienen amplio uso otros aglutinantes sin horneo con vidasde espera más largas. Ente estos están los materiales plásticos que puedencatalizarse en el corazón para endurecimiento rápido. Uno en particular se endurecepor la exposición a bióxido de azufre (SO2) durante unos segundos.


FUNDICIÓN EN ARENAMÁQUINA CORAZONERA


EJERCICIOEl dibujo muestra las dimensiones de una pieza acabada después del maquinado. Se te pide dibujar y dimensionar: a) el modelo, b) los corazones c) la pieza después de sacarla del molde y d) la cavidad del molde para la fundición en arena. Indica claramente la línea de partición.

Datos:: • Aleación de Aluminio• Todas las superficies son maquinadas• Desmoldeo a mano


EJERCICIOS1.- Gozne de palanca 2.- Guía de pivote 3.- Bloque de fijación

Fundición Gris Fundición Gris de Bronce con 10% de Sngran resistencia

Considerar desmoldeo a máquina e indicar superficies maquinadas


4.- Base 5.- Cuerpo

Magnesio Acero

EJERCICIOS


6.- Bloque de mordaza 7.- Soporte oblícuo

Latón 40% Zn. Aluminio

EJERCICIOS


EJERCICIOS8.- Caja

Hierro fundido


FUNDICIÓN EN ARENAPROCESO DE MOLDEO

Pieza a

obtener


FUNDICIÓN EN ARENAMÁQUINAS DE MOLDEO

.


FUNDICIÓN EN ARENAMÁQUINA PARA LA EXTRACCIÓN

DEL MODELO DE LA CAJA


LIMPIEZA EN TAMBOR GIRATORIO


LIMPIEZA MEDIANTE CHORRO CENTRÍFUGO DE GRANALLA


VACIADO AUTOMÁTICO DE MOLDES


MOLDE DE ARENA VERTICAL SIN CAJA


EQUIPO AUTOMÁTICO PARA FUNDICIÓN VERTICAL


FUNDICIÓN EN ARENACARACTERÍSTICAS DEL PROCESO

• Todos los metales y aleaciones

• No hay limitación de tamaño

• Acabado superficial ( 6 - 20 µm )

• Sección mínima ( 2.5 - 12.7 mm)

• Tolerancias (1.0 - 5.5 mm )


FUNDICIÓN EN CÁSCARA• Desarrollado en los años 40’s• Produce tolerancias más pequeñas y mejores acabados superficiales.• El modelo es de hierro o aluminio untado de un agente de partición, se

calienta entre 175 °C y 350 °C• La arena con una resina como aglutinante forma una cáscara sobre el

modelo• Un horno completa el curado de la resina• Dos mitades de cáscara se ponen juntas en forma vertical para el

colado, se rellena la caja de granalla• Piezas de menos de 100 kg pero usualmente menor a 10 kg• La gran calidad de las partes producidas reduce grandemente la

limpieza, maquinado y proceso de acabado posterior.• Se pueden hacer varias coladas con el mismo molde• Acabado superficial de 3.1 µm- 6 µm.


FUNDICIÓN EN CÁSCARAMoldeo en cáscara:

• Problemas del proceso.• Sacar el cascarón fuera

del modelo• Mantener las dos mitades

juntas durante la colada.• Fuga de gases


FUNDICIÓN EN YESOCARACTERÍSTICAS DEL PROCESO

- Molde de Yeso 70 - 80 %- Fibra 20 - 30 % , Agua y Catalizador ( Talco, MgO2; para

mejorar la resistencia y el tiempo de curado.) - Para piezas de precisión: 30 - 60 µin - Espesor de hasta 0.02 in - Solo para aleaciones no ferrosas debido a la máxima

temperatura que puede resistir el yeso.- Tamaño menor a 1 lb y menor a 6 in.- Tolerancias hasta de 0.005 in.

Problemas del Proceso:- Mantener juntas las 2 mitades del molde- Tiempo de horneado del molde- Los gases no pueden escapar libremente.


FUNDICIÓN A LA CERA PERDIDACARACTERÍSTICAS DEL PROCESO

• Costoso• Producción unitaria o por lotes• Todos los metales (ver siguiente página)• Acabado superficial (1.5 - 3.8 µm ) • Tolerancias (0.076 - 0.127 mm)• Peso de las piezas de 3 a 20 kg• Espesor mínimo ( 1.5 mm)• Espesor máximo 25mm debido a las contracciones• Geometrías complejas• Aplicaciones: Álabes de turbinas de gas, componentes de

computadoras, equipos dentales y quirúrgicos, armas de fuego, cuerpos de válvulas, levas, engranes, palancas, entre otros.


FUNDICIÓN A LA CERA PERDIDAMATERIALES ADECUADOS

MATERIALAceros al Carbono104010501060Aceros Aleados234541304140415043404640615086408645Aceros Inox. Austeníticos302303304316ACI CF-8MAceros Inox. Ferriticos410416430431Acero Inox. Endurecido por Precipitación17-4 PHAleaciones de NiquelMonel (00-N-288-A)Iconel (AMS 5665Aleaciones de CobaltoCobalto 21Cobalto 31Aleaciones de Aluminio356-A 356355-C 355Aceros para HerramientasA-2H-13S-1S-2S-4S-5Aleaciones de CobreMetal para ArmasLatón NavalBronce FósforoLatón RojoLatón SilicioCobre Berilio 10CCobre Berilio 20CCobre Berilio 30C

FLUIDEZBBB

BBBBBBBBB

AAAAA

AAAA

A

AA

AA

AA

BBBBBB

ABBAAAAA

CONTRACCIÓNBBA

BBBBBBBBB

AAAAA

CCCC

C

BB

AA

AA

BBBBBB

CBBAAAAA

RESISTENCIA ALAGRIETAMIENTO

BBB

BBBBBBBBB

ABAAA

BBBB

B

BB

BB

AA

BBBBBB

AAAAAAAA

FUNDIBILIDAD

B+B+B+

A-A-A-A-A-A-A-A-A-

A+A

A+A+A+

AB+A-A-

B+

B+B+

A-A-

A+A

B+B+A-A-A-A-

B+B+B+A-A+A

A+A

Nota:A = excelenteB = buenoC = pobre


FUNDICIÓN A LA CERA PERDIDA



Colada, enfriamiento y extracción de las piezas del molde


FUNDICIÓN POR CONTRAGRAVEDAD

El molde es sumergido en el metal fundido. El vacío aplicado aspira el metal que llena la cavidad y al solidificar rápidamente se elimina el vacío aplicado. Este proceso permite el colado de piezas con paredes delgadas (1.75mm) y geometrías complejas con propiedades uniformes. Se han producido piezas hasta de 70kg.


FUND. A LA ESPUMA PERDIDA-PATRÓN EVAPORATIVO

Con el patrón evaporativo se elimina la necesidad de sacar el patrón del molde antes de la colada del metal.. El patrón se recubre de un lodo cerámico delgado de 0.1mm para dar rigidez y permitir permeabilidad a los gases.


FUND. A LA ESPUMA PERDIDA-PATRÓN EVAPORATIVO

El patrón se realiza de poliestireno expandido que se vaporiza al entrar en contacto con el metal fundido. Para pequeña producción los patrones pueden ser maquinados o cortados a mano inclusive. Se puede dividir las geometrías complejas y pegar diversos pedazos para formar el patrón completo. Para producción en serie se inyecta la espuma en moldes adecuados.


FUNDICIÓN EN MOLDE COMPLETO DE ARENA

PATRÓN EVAPORATIVORepresenta la extensión del proceso anterior para fundición en arena. Se tienen las ventajas de realizar sólo un molde (no de 2 mitades), no hay línea de partición ni ángulos de salida, se eliminan muchos corazones y rebosaderos considerando que el metal se va enfriando al ceder su calor para la evaporación del patrón, de esta forma el punto mas frío está alejado del bebedero y éste a su vez puede funcionar como rebosadero.


FUNDICIÓN EN MOLDE METÁLICOCARACTERÍSTICAS DEL PROCESO

Consiste en reusar un molde metálico hecho de dos o mas partes en coladas alimentadas por gravedad. Los corazones pueden ser de acero o de arena. Comparado con la fundición en arena este proceso permite producir piezas mas uniformes con mejores tolerancias y acabado superficial hasta de 2.5µm.


FUNDICIÓN EN MOLDE METÁLICO DIFERENTES TIPOS DE MÁQUINAS


FUNDICIÓN EN MOLDE METÁLICO CORAZONES

• Los corazones metálicos pueden ser móviles o estacionarios perpendiculares a la línea de partición. Los corazones móviles pueden tener otra orientación y se retraen antes de abrir el molde.

• Los corazones desechables se hacen de arena o resina y pueden ser de geometrias mas complejas que los corazones metálicos.

• Los corazones colapsables hechos de varias piezas de metal ofrecen algunas variaciones de dimensión por el movimiento de sus partes. P. ej. los pistones automotrices se producen en molde permanente con corazones colapsables


FUNDICIÓN EN MOLDE METÁLICO CORAZONES Y MOLDES

Medición de la cavidad en un molde permanente


FUNDICIÓN EN MOLDE METÁLICO MATERIALES DEL MOLDE

Se selecciona el material del molde en base a: la temperatura de colada, el tamaño de la pieza, el número de coladas y el costo del material del molde.

Número de coladas1000 10,000 100,000

Para piezas hasta 25mmZinc H. Gris, acero 1020 H. Gris, acero 1020 H. Gris, acero 1020Aluminio, Magnesio H. Gris, acero 1020 H. Gris, acero 1020 H. Gris, acero 1020Cobre H. Gris H. Gris H. Gris aleadoH. Gris H. Gris H. Gris ------------Para piezas hasta 915mmZinc H. Gris, acero H11 H. Gris, acero H11 H. Gris, acero H11Aluminio, Magnesio H. Gris H. Gris H. Gris, H11, H14Cobre H. Gris Aleado H. Gris Aleado H. Gris AleadoH. Gris H. Gris H. Gris -------------


FUNDICIÓN EN MOLDE METÁLICO RECUBRIMIENTOS PARA MOLDES

Se utilizan para:1.- Prevenir la solidificación prematura del metal colado.2.- Controlar la dirección de solidificación.3.- Reducir el choque térmico.4.- Prevenir la soldadura de los metales del molde y de la pieza.5.- Facilitar la expulsión de gases.

No deben ser corrosivosLa frecuencia del recubrimiento es de acuerdo a la vida de este,

cada turno, cada varios turnos, etc.


FUNDICIÓN EN MOLDE METÁLICO TEMPERATURA DEL MOLDE

• Si la temperatura del molde es alta: se desarrolla mucha rebaba, las piezas estan blandas al momento de la extracción, las propiedades de la pieza se alteran.

• Si la temperatura del molde es baja: puede no llenarse el molde, puede haber solidificación prematura, puede haber soldadura de metales.

Las variables que determinan la temperatura de molde son:• a mayor temperatura de colada, mayor T. del molde• a mayor frecuencia del ciclo , mayor T. del molde• a mayor peso de la pieza, mayor T. del molde• a mayor espesor de pared de la pieza, mayor T. del molde• a menor espesor de pared del molde, mayor T. del molde• a menor espesor de recubrimiento, mayor T. del moldeLos moldes se precalientan al inicio de la operación por: flama, calentadores

diseñados ad-hoc, en horno o por haber colado un cierto número de piezas previo.


• El material en estado líquido es forzado a entrar en un molde (dado) reusable en donde se enfría y solidifica.

• Para piezas de geometría compleja con buen acabado superficial y exactitud dimensional.

• Se realiza a gran velocidad.• Minimiza procesos secundarios

(maquinados).• Genera cierta rebaba por la línea de

partición.• Ejemplo: partes de motores y

automóviles, juguetes, partes de artefactos eléctricos. Pesos hasta 25 kgs.

FUNDICIÓN EN DADOS(DIE-CASTING)

CARACTERÍSTICAS DEL PROCESO


FUNDICIÓN EN DADOS


_ El pistón y cilindro de inyección se encuentran dentro del horno a la misma temperatura del metal fundido, lo cual es sólo posible cuando la temperatura de fusión del metal es menor a 540° C.

– Se usan: aleaciones de Zn, Pb, Sn.

– El proceso puede llegar a producir hasta 800 piezas por hora.

FUNDICIÓN EN DADOSCÁMARA CALIENTE


FUNDICIÓN EN DADOSMÁQUINA PARA CÁMARA CALIENTE


– El cilindro y el pistón de inyección se encuentran separados del horno de fundición y el metal líquido es traído por medio de un crisol.

– Se trabajan metales con punto de fusión mayor a 540 C como aleaciones de Al, Cu, Mg.

– Se pueden obtener piezas de mayor tamaño que en el proceso anterior y además la velocidad de producción es un poco menor.

FUNDICIÓN EN DADOSCÁMARA FRÍA


FUNDICIÓN EN DADOSCÁMARA FRÍA HORIZONTAL


FUNDICIÓN EN DADOSCÁMARA FRÍA VERTICAL


• El dado estacionario contiene el bebedero y canales de alimentación, el dado móvil contiene los corazones y los eyectores. Por ambos circula aceite para el control de temperatura. También pueden alojar insertos y corazones retráctiles.

• Los dados pueden ser de una cavidad, múltiples cavidades, combinación o unitarios.

• Las cavidades deben considerar la contracción del material, ángulos de salida, excedentes para maquinado y apoyos de corazones.

HERRAMENTAL UTILIZADOFUNDICIÓN EN DADOS


FUNDICIÓN EN DADOSTIPOS DE DADOS

DE UNA CAVIDAD

DE MÚLTIPLES CAVIDADES

DE COMBINACIÓN UNITARIO


DADOS DE CAVIDAD Y DE CORAZÓN


• La relación típica en peso del dado al peso de la pieza es de 1000 a 1.

• Los dados se hacen de acero para herramientas y pueden dar vidas de 200,000 en Zinc o 150,000 en Aluminio debido a su abrasividad en estado líquido.

• Se usan desmoldantes de silicón para poder separar las piezas solidificadas del dado.

• El costo de los dados es particularmente alto. Por ejemplo el dado para una carcasa de transmisión vale US$900,000

• Fabricantes en México: Dynacast y Bosch.




Ejemplo de dados con corazones retráctiles múltiples

Materiales para dados

Maraging SteelAcero con gran % de Ni templado para producir martensita ductil” por el Ni. Luego se logran precipitados por envejecimiento.


• Las máquinas varían desde 25 hasta 3000 tons. de fuerza de cierre. Factores determinantes: tamaño del dado, carrera del pistón, presión de inyección y costo.

• Para cámara fría considerar además el horno y el transporte del metal fundido en ollas adecuadas.

• Una máquina de 56KW cuesta alrededor de US$300,000 , una prensa de recortar US$30,000 y un horno de fundición de 1/2 Ton. US$25,000

EQUIPO UTILIZADOFUNDICIÓN EN DADOS


• La mas alta tasa de producción de todos los procesos de fundición.

• Tolerancias dimensionales: 0.4 - 0.01mm• Acabado superficial: 3.2 - 6.0 micras

CAPACIDAD DEL PROCESOFUNDICIÓN EN DADOS

DESIGNACIÓN

COMPOSICIÓNPORCENTUALPOR PESO

PROPIEDADESFÍSICAS

PROPIEDADESMECÁNICAS

ZINCAC43A

ZAMAK 2

3.5 - 4.32.5 -3.0

0.02 - 0.050.100 Max.0.005 Max.0.004 Max.0.003 Max.

-Faltante

6655

379 - 390

27.8

104.7

68.4

359

283

641

7

317

> 100

47.5

58.6

GRUPO DE ALEACIONESDESIGNACIÓN ASTMDESIGNACIÓN GENERAL

Al AluminioCu CobreMg MagnesioFe HierroPb PlomoCd CadmioSn EstañoNi NíquelZn Zinc (99.99%)

Densidadkg/m3

Rango de Fundición°CCoeficiente de Expanción Térmicaµm/m°KConductividad TérmicaW/m°KConductividad Eléctrica10-9 Ω .m

Esfuerzo a TensiónMPaEsfuerzo de Cedencia (0.2%)MPaCedencia a Compresión (0.1%)MPaElongación(% en 51 mm)Esfuerzo CortanteMPaDurezaBHN (Brinell)Esfuerzo de ImpáctoJEsfuerzo de Fatiga(Flexión Rotatoria 5x108 ciclos) MPa

ZINCAG40A

ZAMAK 3

3.5 - 4.30.25 Max.

0.025 - 0.050.100 Max.0.005 Max.0.004 Max.0.003 Max.

-Faltante

6600

381 - 387

27.4

113.0

63.9

283

221

414

10

214

> 82

58

47.6

ZINCAC41A

ZAMAK 5

3.5 - 4.30.75 - 1.250.03 - 0.080.100 Max.0.005 Max.0.004 Max.0.003 Max.

-Faltante

6700

380 - 386

27.4

108.9

66.3

328

228

600

7

262

> 91

65

56.5

ZINCAG40B

ZAMAK 7

3.5 - 4.30.25 Max.

0.005 - 0.200.075 Max.0.003 Max.0.002 Max.0.001 Max.

0.005 - 0.020Faltante

6600

381 - 387

27.4

113.0

63.9

283

221

414

13

214

> 80

58

47.6

ZINC-ALUMINIOZA-8 (Fund. En Dados)

ZA-8

8.0 - 8.80.8 - 1.3

0.015 - 0.0300.075 Max.0.006 Max.0.006 Max.0.003 Max.

-Faltante

6300

375 - 404

23.3

114.7

62.2

374

290

252

8

276

> 103

42

103

ACuZinc

ACuZinc 5

2.8 - 3.35.0 - 6.0

0.025 - 0.050.075 Max.0.005 Max.0.004 Max.0.003 Max.

-Faltante

6850

402 - 502

24.0

106.0

64.0

407

338

N/A

5

280

> 118

N/A

N/A

ALUMINIO

380

---------

2713

538 - 593

21.2

96.2

63.9

324

165

N/A

3

186

> 80

4

138

MAGNESIO

AZ-91D

---------

1827

468 - 596

25.2

72.3

141

234

159

159

3

138

> 63

3.7

97

Polypropileno

---------

900

-

80 - 150

0.16 - 0.24

N/A

33

-

-

> 100

-

-

-

13.8

Nylon (30%Glass)

---------

1400

-

23 - 40

0.5

N/A

120

-

-

6

-

-

-

17.2

LATÓNB16

LATÓN 360

---------

8500

885 - 900

20.5

115

66

379 - 470

305 - 360

N/A

18 - 53

220 - 260

120

N/A

138

METAL PULVERIZADOB 426 grado 1

FC-0208-R sinterizado

---------

6700

N/A

9.2

44 (est.)

N/A

415

330

N/A

1

N/A

110

6.8

155

ACERO DULCEC10101010

---------

7900

1370

11.4

47 (est.)

160 (est.)

415

325

N/A

18

311

124 - 162

N/A

N/A

PLÁSTICOS

NOTA: Los datos mostrados son típicos del material y procesos y son utilizados para comparación y como guía únicamente.

Muy usado por su fluidez y ductilidad

Ligero, amortigua ruidos, explosivo con agua


• Molde agrietado por fatiga térmica• Corrosión de moldes descarburizados.• Erosión del molde por la turbulencia • El aire puede causar porosidad, se necesitan ventilas y

rebosaderos ó inyectar a una presión, esperar el enfriamiento y dar otro pulso de presión.

• Con presiones muy bajas se obtienen vacancias• Con presiones muy altas se genera rebaba y desgaste del

pistón.

FUNDICIÓN EN DADOSPROBLEMAS DEL PROCESO


FUNDICIÓN EN DADOS


- Molde descentrado

- Corazón descentrado

- Fracturas por contracción

- Defectos Superficiales

DEFECTOS TÍPICOS DE LOS PROCESOS DE FUNDICIÓN

La parte superior quedarádesalineada con respectoa la parte inferior

Pequeñas burbujas atrapadas


- Vacancia del molde

- Erosión del molde

FUNDICIÓN EN DADOSDEFECTOS TÍPICOS DEL PROCESO

Burbuja de aire atrapada al final del molde.

Burbuja de aire atrapada

La pieza salió defectuosadebido a que el molde estabadañado.


ANÁLISIS DE FALLAS EN FUNDICIÓN

DIAGRAMA ISHIKAWA (CAUSA - EFECTO)

Superficie Agrietada del Metal fundido

Temperatura del metal

Revestimiento del molde

Temperatura del moldeComposición del material fundido

Volumen Revestido

EnfriamientoVolumen de

fundición

Relación de mezcla

Grado de humedad

Volumen deescoria Relación de

mezclas de materia prima

Temperatura delcrisol

Temperatura de colado

Orden de colado

Circunstanciasde colado

Tiempo de colado

PrecalentamientoOrden devaciado


PREGUNTAS DE REPASO1 Describa el mecanismo de la solidificación de un metal en un molde.2 Liste las tolerancias y las consideraciones que determinan el tipo de material a utilizar en un modelo.3 Discuta e ilustre la importancia de la superficie de partición en el diseño de un modelo.4 ¿Qué es el ángulo de salida? ¿Por qué es necesario?5 Liste los tipos de modelos qué conozca. Describa las características de cada uno.6 (a) ¿Qué es una caja de fundición? (b) Dibuje una e identifique todas sus partes.7 Dibuje cualquier objeto simple, seleccione una superficie de partición, defina el ángulo de salida y describa el

desarrollo del molde correspondiente.8 (a) Describa tres formas en las cuales pueden diseñarse las compuertas de un molde.9 ¿Cuántos métodos existen para clasificar la arena? Describa cada uno de ellos.10 Discuta la relación entre contenido de humedad, permeabilidad y resistencia de las arenas. Defina cada término

en relación con la arena.11 Describa el método para verificar la permeabilidad de la arena.12 Describa las utilizaciones y diferencias existentes entre los bebederos y las mazarotas o rebosaderos.13 (a) ¿Qué son los corazones? (b) ¿Qué son los apoyos para corazones? (c) ¿Para qué sirve cada uno de estos

elementos?14 (a) Ilustre gráficamente la utilización de un corazón de arena verde. (b) ¿Cuáles son sus desventajas?15 Liste las características de los corazones de arena seca que contribuyen a su efectividad.


PREGUNTAS DE REPASO16 Enumere los pasos requeridos para la producción de un corazón de arena seca.17 Describa el proceso de producción de las cajas de corazones. Utilice dibujos para ayudar a su explicación.18 Describa las fuerzas que actúan en un molde. Suponga que el molde cuenta con un corazón.19 ¿Qué propósito tienen los agujeros o conductos para ventilación?20 Describa el proceso de fundición en cáscara.21 ¿Qué precisión puede esperarse del proceso de fundición en cáscara?22 Describa el proceso de la cera perdida.23 ¿Qué ventajas tiene el proceso de la cera perdida?24 Describa el proceso de fundición en moldes de yeso.25 (a) Describa los tres procesos de fundición centrífuga. (b) ¿En qué difieren los procesos semicentrífugos y el

de fundición centrifugada?26 ¿Cuál es la mayor dificultad encontrada en la fundición centrífuga? ¿Qué puede hacerse para vencer esta

dificultad?27 Describa por lo menos uno de los procesos de vaciado en molde permanente.28 ¿En qué se diferencian los métodos de fundición a presión en cámara caliente y en cámara fría?29 Haga un diagrama de un mecanismo utilizado en colada contínua. Explique el proceso que usted seleccionó.30 ¿Cuál es la mayor dificultad existente al colar continuamente el acero? ¿Cómo puede superarse?31 ¿Cuáles son las ventajas del colado en comparación con otros procesos?


PREGUNTAS DE REPASO32 ¿Cuáles son las características que debe tener un molde?33 Dibuje un esquema de un molde típico y enuncie sus partes principales.34 Explique lo que sucede en una pieza vaciada cuando se solidifica y enfría.35 ¿Cuál debe ser el espesor de las secciones de una pieza vaciada?36 ¿Qué principios son conducentes a la formación de un rebosadero eficaz en un molde?37. Describa la manera como se hace un molde típico.38 ¿Qué son los soportes (chaplets) y las anclas?39 ¿Cómo y por qué razón se hornean los corazones?40 ¿De qué materiales se hacen los modelos y cuáles son las ventajas ofrecidas por cada uno de estos

materiales?41 ¿Qué es la tolerancia de contracción y de qué manera se aplica esta a un modelo?42 ¿Qué es la tolerancia de maquinado y cómo se designa esta?43 ¿Qué es la colada en moldes permanentes y en qué casos es de utilidad?44 Describa las operaciones de colar a baja presión.45 ¿Cómo se efectúa la fundición a presión? ¿Cuáles son sus ventajas?46 ¿Cómo se comparan las modalidades de coladas en molde permanente, a baja presión, fundición a presión,

centrifuga y en arena, con respecto a los productos que se obtienen y en relación a los costos?47 ¿Cuánto material extra debe dejarse para las operaciones de acabado de las piezas vaciadas en molde

metálico?


PREGUNTAS DE REPASO

48 Una pieza en blanco para engrane sencillo, de 203.2 mm de diámetro, tiene que fundirse a presión enaleación de Zinc, a 13.8 Mpa de presión. ¿Cuál deberá ser la capacidad de la máquina expresada entoneladas de fuerza de cierre?

49 ¿Cuáles son las condiciones necesarias para obtener una colada de acero sin defectos?50 ¿Qué hornos de fusión suelen usar para efectuar la colada de acero y de aleaciones de los metales no

ferrosos?52 ¿Cuál es la tecnología de la colada de aleaciones de cobre?53 ¿Qué singularidad tiene la tecnología de las piezas moldeadas de las aleaciones de aluminio?54 ¿Qué medidas suelen tomar para obtener una colada sin defectos de aleaciones de magnesio?

Nota: Algunas preguntas de repaso pueden requerir una investigación propia del estudiante, pues no se encontrará la respuesta directamente en este manual.

FUNDICION

Documents

Transcript of FUNDICION