1 U1: FUNDICION Y MOLDEO-INTRODUCCIÓN La manufactura es una actividad importante desde el punto de vista tecnológico, económico e histórico. Se puede definir como una aplicación de la ciencia que proporciona a la sociedad bienes que son necesarios o deseados. Económicamente, la manufactura es un instrumento que permite a una nación crear riqueza material. Las industrias manufactureras en EE.UU. representan cerca del 20% del PBI. La agricultura, minería e industrias similares representan en EE.UU. menos del 5% del PBI. La construcción y obras públicas constituyen algo más del 5%. El resto son industrias de servicios que incluyen: el comercio, el transporte, la banca, las comunicaciones, la educación y el gobierno, que representa en EE.UU. el 70% del PBI, pero dichas industrias de servicios no crean riquezas. Históricamente se ha subestimado la importancia de la manufactura en el desarrollo de las civilizaciones; no obstante, las culturas humanas que han sabido hacer mejor las cosas a lo largo de la historia, han sido las más exitosas. Haciendo mejores herramientas, se perfeccionaron las artesanías y las armas; la artesanía les permitió un mejor nivel de vida, las armas les permitieron conquistar a las culturas vecinas en tiempos de conflicto. La historia de la civilización ha sido en gran parte, la historia de la habilidad humana para fabricar cosas. 1.- DEFINICIÓN DE MANUFACTURA La manufactura, puede definirse de dos maneras: Tecnológicamente, es la aplicación de procesos químicos y físicos que alteran la geometría, las propiedades, o el aspecto de un determinado material para elaborar partes o productos terminados; la manufactura incluye también el ensamble de partes múltiples para fabricar productos terminados. Económicamente , la manufactura es la transformación de materiales en artículos de mayor valor, a través de una o más operaciones o procesos de ensamble. El punto clave es que la manufactura agrega valor al material original, cambiando su forma o propiedades, o al combinarlo con otros materiales que han sido alterados en forma similar. Cuando el mineral de hierro se convierte en acero, se le agrega valor. Cuando la arena se transforma en vidrio, se le agrega valor. Lo mismo sucede cuando el petróleo se refina y convierte en plástico; y cuando el plástico se moldea en una compleja geometría de una silla de patio, se hace aún más valioso. a b

FIGURA 1. Dos maneras de definir manufactura: (a) como un proceso técnico y (b) como un proceso económico.

2.- CLASIFICACIÓN DE MANUFACTURAS Y PRODUCTOS La manufactura se realiza como una actividad comercial por parte de las compañías que venden sus productos a los consumidores. El tipo de manufactura que maneja una compañía depende de la clase de productos que fabrica.

1. Las industrias manufactureras son empresas y organizaciones que producen o abastecen bienes y servicios, y pueden clasificarse como primarias, secundarias o terciarias.

2. Las industrias primarias son las que cultivan y explotan los recursos naturales, tales como la agricultura y la minería.

3. Las industrias secundarias adquieren los productos de las industrias primarias y los convierten en bienes de consumo o de capital. La actividad principal de las industrias en esta categoría es la manufactura, incluyendo la construcción y las instalaciones para la producción de energía.

2 Las industrias terciarias constituyen el sector de servicios de la economía. En la tabla 2 se presentan las listas de industrias específicas en cada categoría.

Primarias Secundarias Terciarias (servicios)

Agricultura Forestal Pesca Ganadería Canteras Minería Petróleo (extracción)

Aerospacial Bisutería y accesorios Automotriz Metales básicos Bebidas Materiales para la construcción Productos químicos Computadoras Construcción Enseres domésticos Electrónica Equipo Metales habilitados Procesamiento de alimentos Vidrio y cerámica Maquinaria pesada Papel Refinación de petróleo Productos farmacéuticos Plásticos (formado) instalaciones de generación de energía Publicidad Textiles Llantas y productos de hule Madera y muebles

Banca Comunicaciones Educación Entretenimiento Servicios financieros Gobierno Salud y servicios médicos Hotelería Información Seguros Servicios legales Bienes raíces Reparación y mantenimiento Restaurantes Comercio al detalle Turismo Transporte Comercio al mayoreo

TABLA 2 Industrias específicas en las categorías primaria, secundaria y terciaria, sobre la base aproximada a la

Internacional Standard Industrial Classification (ISIC) usada por Naciones Unidas. En esta materia (Procesos Industriales) nos interesan las industrias secundarias donde se encuentran clasificadas las compañías dedicadas a la manufactura. 2- LOS MATERIALES EN LA MANUFACTURA La mayoría de los materiales de ingeniería pueden clasificarse en una de las tres categorías básicas:

1. metales, 2. cerámicas, 3. polímeros y 4. materiales compuestos.

Sus características químicas y sus propiedades físicas y mecánicas son diferentes; estas diferencias afectan los procesos de manufactura que se usan para transformarlos en productos finales.

FIGURA 3. Diagrama de Venn mostrando los tres tipos básicos de materiales y los materiales compuestos. Los materiales compuestos son mezclas no homogéneas de los otros tres tipos básicos de materiales, en lugar de una categoría única.

3 2.1- Metales Los metales usados en la manufactura son comúnmente aleaciones, las cuales están compuestas de dos o más elementos, donde por lo menos uno es metálico. Los metales pueden dividirse en dos grupos: 1) ferrosos y 2) no ferrosos.

Metales ferrosos: Los metales ferrosos se basan en el hierro; el grupo incluye acero y hierro colado (o fundición); éstos constituyen el grupo de materiales comerciales más importantes y comprende más de las tres cuartas partes del tonelaje de metal que se utiliza en todo el mundo. El hierro puro tiene poco uso comercial; pero aleado con el carbono tiene más usos y mayor valor comercial que cualquier otro metal. El acero es la categoría más importante dentro del grupo de metales ferrosos; puede definirse como una aleación de hierro y carbono que contiene de 0,02 a 2 % de carbono como máximo. Su composición incluye frecuentemente otros elementos como manganeso, cromo, níquel y molibdeno para mejorar las propiedades del metal. El acero tiene aplicaciones en la industria de la construcción (puentes, perfiles estructurales y clavos), en el transporte (camiones, rieles y material laminado para ferrocarriles), y en productos de consumo (automóviles y aparatos). Las razones de la popularidad del acero son: 1) buena resistencia mecánica, 2) bajo costo relativo entre los metales y 3) facilidad de procesado en una gran variedad de procesos de manufactura. El hierro colado (o fundición) es una aleación de hierro y carbono (2 a 4%) que se utiliza principalmente para lograr piezas fundidas en arena. En esta mezcla también se encuentra presente el silicio en cantidades desde 0,5 a 3%, y frecuentemente se agregan otros elementos para obtener propiedades deseables en el producto final. El hierro colado (o fundición) se encuentra disponible en diferentes formas, de las cuales la fundición gris es la más común; sus aplicaciones incluyen la fabricación de partes para motores de combustión interna. Metales no ferrosos: Los metales no ferrosos comprenden los otros elementos metálicos y sus aleaciones. En casi todos los casos, las aleaciones son más importantes que los metales puros comercialmente hablando. Los metales no ferrosos incluyen las aleaciones y los metales puros de aluminio, cobre, oro, magnesio, níquel, plata, estaño, titanio, zinc y otros metales. Entre los más fáciles de procesar están el aluminio; y entre los más difíciles, el níquel y el titanio. 2.2.- Cerámicos Un material cerámica es un compuesto que contiene elementos metálicos y no metálicos. Los elementos no metálicos son el oxígeno, el nitrógeno y el carbono. Los materiales cerámicas abarcan una gran variedad de materiales tradicionales y modernos. Entre los materiales tradicionales se encuentran: el barro, cuya disponibilidad es abundante, y está compuesto por finas partículas de silicatos hidratados de aluminio y otros minerales, el cual se usa para hacer ladrillos, tejas y alfarería; la sílice (Si O2), base de casi todos los productos de vidrio; la alúmina (Al2 O3) y el carburo de silicio, dos materiales abrasivos usados en procesos de esmerilado. Los materiales cerámicas modernos incluyen algunos de estos materiales, como la alúmina, cuyas propiedades se mejoran de varias formas mediante métodos modernos de proceso. Los materiales cerámicas modernos incluyen carburos de metales, como el carburo de tungsteno y el carburo de titanio que son empleados ampliamente en la fabricación de buriles, y los nitruros metálicos y semimetálicos como el nitruro de titanio y el nitruro de boro que se usan como herramientas de corte y abrasivos. Los materiales cerámicas pueden dividirse para propósitos de proceso en:

1) cerámicas cristalinos y 2) vidrios.

Se requieren diferentes métodos de manufactura para los dos tipos. Los materiales cerámicas cristalinos son formados de diversas maneras a partir de polvos y luego se sinterizan. Los materiales vítreos (vidrio) pueden derretirse, vaciarse y luego formarse mediante procesos como el tradicional soplado de vidrio.

4 2.3- Polímeros Un polímero es un compuesto formado por repetidas unidades estructurales llamadas meros cuyos átomos comparten electrones para formar moléculas muy grandes. Los polímeros están constituidos generalmente por carbono y otros elementos como hidrógeno, nitrógeno, oxígeno y cloro. Los polímeros se dividen en tres categorías:

1) Polímeros termoplásticos . Los termoplásticos pueden someterse a múltiples ciclos de calentamiento y enfriamiento sin alterar sustancialmente la estructura molecular del polímero. En esta categoría podemos mencionar al polietileno, poliestireno, cloruro de polivinilo y nylon.

2) Polímeros termofijos . Estas moléculas se transforman químicamente (se curan) en una estructura rígida cuando se enfrían después de una condición plástica por calentamiento, de aquí el nombre de termofijo. Algunas sustancias de esta familia son las resinas fenólicas, aminorresinas y resinas epóxicas. Aunque se usa el término termofijo, algunos de estos polímeros se curan mediante mecanismos no térmicos.

3) Elastómeros . Estos polímeros exhiben un comportamiento elástico importante, de aquí el nombre de elastómero. En esta categoría se encuentra el caucho natural, el neopreno, las siliconas y el poliuretano.

2.4.- Compuestos Los materiales compuestos no constituyen una categoría separada de los materiales; sino que constituyen una mezcla de los otros tres tipos de materiales. Un material compuesto se logra con dos fases en las que se procesan separadamente los materiales y luego se unen para lograr propiedades superiores a los de sus constituyentes. El término fase se refiere al procesamiento de una masa de material homogéneo, como un agregado de granos con idéntica estructura celular unitaria en un metal. La estructura usual de un material compuesto está formada por partículas o fibras de una fase mezcladas con una segunda fase llamada matriz. Los materiales compuestos se encuentran en la naturaleza (madera, por ejemplo) y pueden también producirse sintéticamente. Estos últimos son los que nos interesan; comprenden fibras de vidrio en matriz de polímero como los plásticos reforzados con fibras; fibras de polímero de una clase en matriz de un segundo tipo de polímero, como los compuestos epoxy-Kevlar; y materiales cerámicas en matriz metálica, como carburo de tungsteno en una cubierta de cobalto para formar un buril de carburo cementado. Las propiedades de los materiales compuestos dependen de sus componentes, de la forma física de dichos componentes y de la manera en que se combinan para formar el material final. Algunos materiales compuestos combinan alta resistencia con poco peso y son apropiados para utilizarse como componentes de aviones, carrocerías de automóviles, cascos de botes, raquetas de tenis y cañas de pesca; otros son fuertes, duros y capaces de mantener estas propiedades a temperaturas elevadas, como por ejemplo las herramientas de carburo cementado. 3.- PROCESOS DE MANUFACTURA Los procesos de manufactura pueden dividirse en dos tipos básicos:

1) operaciones de proceso y 2) operaciones de ensamble .

Una operación de proceso transforma un material de trabajo de una etapa a otra más avanzada, que lo sitúa cerca del estado final deseado para el producto. Esto le agrega valor al cambiar la geometría, las propiedades o la apariencia del material inicial. Por lo general, las operaciones de proceso se ejecutan sobre partes discretas de trabajo, pero algunas de ellas se aplican también a artículos ensamblados. Una operación de ensamble une dos o más componentes para crear una nueva entidad llamada ensamble, subensamble o cualquier otra manera que se refiera al proceso de unir (por ejemplo a un ensamble soldado se le llama conjunto soldado). En la Fig. 4 se presenta una clasificación de procesos de manufactura. 3.1.- Operaciones de proceso Una operación de proceso utiliza energía para alterar la forma, las propiedades físicas o el aspecto de una pieza de trabajo a fin de agregar valor al material. Las formas de energía incluyen la mecánica, térmica, eléctrica o química. La energía se aplica de forma controlada mediante la maquinaria y su herramental.

5 También puede requerirse la energía humana, pero los seres humanos generalmente se dedican a controlar las máquinas, a examinar las operaciones, a cargar y descargar partes antes y después de cada ciclo de operación. Un modelo general de las operaciones de proceso se ilustra en la Fig. 1 (a): el material se alimenta en el proceso, la maquinaria y las herramientas aplican la energía para transformar el material, y la pieza terminada sale del proceso. Como se muestra en dicho modelo, la mayoría de las operaciones de producción producen desechos o desperdicios, ya sea como un aspecto natural del proceso (por ejemplo, el material removido por mecanizado) o en la forma de ocasionales piezas defectuosas. Un objetivo importante en la manufactura es la reducción del desperdicio en cualquiera de estas formas.

FIGURA 4. Clasificación de procesos de manufactura. Comúnmente se requiere más de una operación de proceso para transformar el material inicial a su forma final. Las operaciones se realizan en una sucesión particular que se requiera para lograr la geometría y las condiciones definidas por las especificaciones de diseño. Se distinguen tres categorías de operaciones de proceso:

1) operaciones de formado, 2) operaciones para mejorar propiedades y 3) operaciones de procesado de superficies.

6 Las operaciones de formado alteran la geometría del material inicial de trabajo mediante diversos métodos que incluyen los procedimientos comunes de fundición, forjado y maquinado. Las operaciones para mejorar propiedades agregan valor al material con la mejora de sus propiedades físicas sin cambiar su forma; el tratamiento térmico es el ejemplo más común. Las operaciones de procesado de superficies tienen por objeto limpiar, tratar, revestir o depositar materiales en la superficie exterior de la pieza de trabajo; ejemplos comunes son la electro deposición y la pintura que se aplican para proteger la superficie o para mejorar su aspecto. Procesos de formado: La mayoría de los procesos de formado aplican calor, fuerza mecánica o una combinación de ambas para efectuar un cambio en la geometría del material de trabajo. Hay diversas formas de clasificar los procesos de formado. La clasificación empleada se basa en el estado inicial del material e incluye cuatro categorías: 1) Fundición, moldeado y otros procesos en los que el material inicial es un líquido calentado o semifluido. 2) Procesado de partículas: el material inicial es un polvo que se forma y calienta para darle una geometría

deseada. 3) Procesos de deformación: el material inicial es un sólido dúctil (usualmente metal) que se deforma para formar

la pieza. 4) Procesos de remoción de material: el material inicial es un sólido (dúctil o frágil) del cual se quita material para

que la pieza resultante tenga la geometría deseada. En la primera categoría, el material inicial se calienta lo suficiente para transformarlo en un líquido o llevarlo a un estado altamente plástico (semifluido). Casi todos los materiales pueden procesarse de esta manera. Todos los metales, los vidrios cerámicas y los plásticos pueden ser calentados a temperaturas suficientemente altas para convertirlos en líquidos. El material en forma líquida o semifluida, se vierte o es forzado a fluir en una cavidad de un molde para dejar que se solidifique, tomando así una forma igual a la de la cavidad. Los procesos que operan de esta forma se llaman fundición y moldeado. Fundición es el nombre usado para metales y moldeado es el término de uso común para plásticos. El trabajo en vidrio implica formar la pieza mientras éste se encuentra en un estado semifluido caliente, usando una variedad de técnicas que incluyen la fundición y el moldeado. Los materiales compuestos en matriz de polímeros se forman también mientras se encuentran en una condición fluida; algunos de los procesos son los mismos que se usan para los plásticos, mientras que otros son considerablemente más complicados. Esta categoría de procesos de formado se muestra en la figura 5.

FIGURA 5. Los procesos de fundición y moldeado parten de un material al que se ha calentado hasta un estado fluido o semifluido. El proceso consiste en: (1) vaciado del fluido en la cavidad de un molde y (2) dejar enfriar el fluido hasta su total solidificación y remoción del

molde. En el procesamiento de partículas, los materiales iniciales son polvos de metales o polvos cerámicas. Aunque estos dos materiales son bastantes diferentes, los procesos para formarlos en el procesamiento de partículas son muy similares; la técnica común involucra prensado y sintetizado, como se ilustra en la figura 6, donde el polvo es previamente prensado en la cavidad de un molde a muy alta presión.

7 Esto ocasiona que el polvo tome la forma de la cavidad, pero la pieza así compactada carece de la fortaleza suficiente para cualquier aplicación útil. Para aumentar su fortaleza, la pieza se calienta a una temperatura por debajo de su punto de fusión, lo cual ocasiona que las partículas individuales se unan. La operación de calentamiento se llama sinterizado.

FIGURA 6. Procesado de partículas: (1) el material inicial es polvo; el proceso normal consiste en (2) prensado y (3) sintetizado. En los procesos de deformación, la pieza inicial se forma por la aplicación de fuerzas que exceden la resistencia del material a la deformación. Para que el material pueda formarse de esta manera debe ser lo suficientemente dúctil para evitar la fractura durante la deformación. A fin de aumentar su ductilidad (y por otras razones), el material de trabajo frecuentemente se calienta con anterioridad a una temperatura por debajo de su punto de fusión. Los procesos de deformación se asocian estrechamente con el trabajo de metales, e incluyen operaciones tales como forjado, extrusión y laminado, las cuales se muestran en la figura 7. También se incluyen dentro de esta categoría los procesos con chapas metálicas como el doblado que se ilustra en la parte (d) de la figura.

FIGURA 7. Algunos procesos comunes de deformación: (a) forjado, en donde las dos partes de un dado comprimen la pieza de trabajo para que ésta adquiera la forma de la cavidad del dado; (b) extrusión, en la cual se fuerza una palanquilla a fluir a través del orificio de un dado, para que tome la forma de la sección transversal del orificio; (c) laminado, en el cual una placa o palanquilla inicial es comprimida entre dos rodillos

opuestos para reducir su espesor; y (d) doblado de una chapa metálica. Los símbolos v y F indican movimiento y fuerza aplicada, respectivamente.

8 Los procesos de remoción o mecanizado de material son operaciones que quitan el exceso de material de la pieza de trabajo inicial para que la forma resultante adquiera la geometría deseada. Los procesos más importantes en esta categoría son operaciones de maquinado como torneado, taladrado y fresado (Figura 8). Estas operaciones de corte son las que más se aplican a metales sólidos. Se ejecutan utilizando herramientas de corte que son más duras y más fuertes que el metal de trabajo. El esmerilado es otro proceso común en esta categoría, en el cual se usa una rueda abrasiva de esmeril para quitar el material excedente. Hay otros procesos de remoción de material denominados no tradicionales porque no usan herramientas tradicionales de corte y abrasión. En su lugar emplean rayo láser, haces de electrones, erosión química, descargas eléctricas y energía electroquímica. Es conveniente minimizar los desechos y el desperdicio al convertir una pieza de trabajo inicial en su forma subsiguiente. Ciertos procesos de formado son más eficientes que otros desde el punto de vista de la conservación del material. Los procesos de remoción de material (por ejemplo, maquinado) tienden a desperdiciar mucho material simplemente por la forma en que trabajan, el material que quitan de la pieza de trabajo inicial es un desperdicio. Otros procesos, como ciertas operaciones de colado y moldeado, convierten en casi un 100% el material inicial en producto final.

FIGURA 8. Operaciones comunes de maquinado; (a) torneado, en el cual un buril remueve material de una pieza de trabajo giratoria para reducir su diámetro; (b) taladrado, en donde una broca rotatoria avanza dentro del material para generar un agujero redondo; (c) fresado, en el

cual se hace avanzar un material de trabajo por medio de un cortador giratorio con filos múltiples. Los procesos de manufactura que transforman casi toda la materia prima en producto terminado y no requieren ningún maquinado adicional para lograr la forma final de la pieza de trabajo se llaman procesos de forma neta. Procesos de mejora de propiedades. El segundo tipo en importancia de procesamiento de materiales se realiza para mejorar las propiedades físicas o mecánicas del material de trabajo. Estos procesos no alteran la forma de la pieza, excepto en algunos casos de forma no intencional. Los procesos más importantes de mejora de propiedades involucran tratamientos térmicos que incluyen diversos procesos de recocido y resistencia para metales y vidrio. El sintetizado de polvos cerámicos y de metales es también un tratamiento térmico que hace resistente una pieza de polvo metálico prensado. Operaciones de procesado de superficies. Las operaciones de procesado de superficie incluyen:

1) limpieza, 2) tratamientos de superficie, y 3) procesos de recubrimiento y deposición de películas delgadas.

9 La limpieza incluye procesos mecánicos y químicos para quitar la suciedad, la grasa y otros contaminantes de la superficie. Los tratamientos de superficie incluyen tratamientos mecánicos como el chorro de perdigones y chorro de arena, así como procesos físicos como la difusión y la implantación iónica. Los procesos de recubrimiento y deposición de películas delgadas aplican un revestimiento de material a la superficie exterior de la pieza de trabajo. Los procesos comunes de revestimiento incluyen el electro depositado, el anodizado del aluminio, los recubrimientos orgánicos (conocidos como pintura) y el esmalte de porcelana. Los procesos de deposición de películas delgadas incluyen la deposición química y física de vapores para formar revestimientos sumamente delgados de sustancias diversas. Las operaciones de recubrimiento se aplican más comúnmente a partes metálicas que a los productos cerámicas o a los polímeros. En muchos casos se aplican recubrimientos sobre ensambles; por ejemplo, las carrocerías soldadas de automóviles se pintan y recubren. Existen buenas razones para aplicar recubrimientos a la superficie de una parte o producto:

1) protección contra la corrosión, 2) color y apariencia, 3) resistencia al desgaste y 4) preparación para procesamientos subsiguientes.

Se han adaptado varias operaciones de proceso para fabricar materiales semiconductores de circuitos integrados en microelectrónica. Estos procesos incluyen deposición química de vapor, deposición física de vapor y oxidación. La aplicación se lleva a cabo en áreas muy localizadas sobre la superficie de una oblea delgada de silicio (u otro material semiconductor) para crear los circuitos microscópicos. 3.2.- Operaciones de ensamble El segundo tipo básico de operaciones de manufactura es el ensamble, en el cual dos o más partes separadas se unen para formar una nueva unidad, los componentes de ésta quedan unidos en forma permanente o semipermanente. Los procesos de unión permanente incluyen: la soldadura y el pegado con adhesivos. Estos procesos forman una unión entre componentes que no puede deshacerse fácilmente. Los métodos de ensamble mecánico aseguran dos o más partes en una unión que puede desarmarse cuando convenga; el uso de tornillos, pernos, tuercas y demás sujetadores roscados son métodos tradicionales importantes dentro de esta categoría. El remachado, los ajustes a presión y los encajes de expansión son otras técnicas de ensamble mecánico que forman uniones más permanentes. En electrónica se usan métodos especiales de ensamble, algunos de los cuales son iguales a los anteriores o adaptaciones de los mismos. Por ejemplo, la soldadura blanda se usa ampliamente en ensambles electrónicos, los cuales están relacionados directamente con el armado de componentes (como los circuitos integrados encapsulados) en las tarjetas de circuitos impresos para producir los complejos circuitos que se usan en muchos productos actuales. 3.3- Máquinas de producción y herramientas Para la ejecución de las operaciones de producción se utilizan maquinarias y herramientas, así como mano de obra. El uso extensivo de maquinaria se inició con la Revolución Industrial. Entre todas las máquinas de producción, las máquinas herramienta son las más versátiles, no solamente se usan para fabricar artículos de consumo, sino también para producir componentes para otras máquinas de producción, por ello la máquina herramienta es la madre de toda la maquinaria. Otras máquinas de producción incluyen prensas para operaciones de estampado, martinetes para forja, molinos para laminación de placas metálicas, máquinas soldadores, máquinas de inserción para insertar los componentes electrónicos en las tarjetas de circuitos impresos, y así sucesivamente. En general, el nombre del equipo deriva del nombre del proceso en el que se utiliza. El equipo de producción puede ser de propósito general o especial. El equipo de propósito general es más flexible y adaptable a una diversidad de tareas; se encuentra en el comercio al alcance de cualquier empresa manufacturera que quiera invertir en él. El equipo de propósito especial se diseña para producir partes o artículos específicos en grandes cantidades.

10 La economía de la producción en masa justifica las grandes inversiones que persiguen lograr una alta eficiencia y ciclos de corto tiempo con equipos de propósito especial. Ésta no es la única razón para el uso del equipo de propósito especial, pero sí es la dominante. Otra razón para su uso es la existencia de un proceso único para el que no existe equipo comercial disponible. Algunas compañías que requieren procesos únicos desarrollan su propio equipo de propósito especial. La maquinaria de producción requiere necesariamente de herramientas; éstas especializan a la máquina para el trabajo de partes únicas de un producto. En muchos casos, las herramientas son especiales y deben diseñarse específicamente para ciertas piezas o para la configuración del producto. Cuando se usan con equipo de propósito general, las herramientas se diseñan para ser intercambiables. Para cada tipo de pieza se fijan las herramientas a la máquina y se corre la producción de un lote. Al terminar, se cambian las herramientas para producir el siguiente tipo de pieza. Cuando se usan en equipos de propósito especial, las herramientas se diseñan como partes integrales de la máquina; es probable que las máquinas de propósito especial se diseñen para usarse en producción masiva, por tanto, puede no necesitarse el cambio de herramientas excepto para reemplazar componentes gastados o reparar superficies desgastadas. El tipo de herramientas depende del proceso de manufactura. En la tabla 4 se muestra una lista de ejemplos de herramientas especiales que se utilizan en varias operaciones.

Proceso Equipo Herramienta especial (función) Fundición Moldeado Laminado Forjado Extrusión Estampado Maquinado Esmerilado Soldadura

Varios Máquina moldeadora Molino laminador Martinete de forja Prensa Prensa Máquinas herramienta Máquina esmeriladora Máquina soldadora

Molde (cavidad para metal fundido) Molde (cavidad para polímero caliente) Rodillos (reduce el espesor del material) Matriz (comprimen el material para formarlo) Matriz de extrusión (reducen la sección transversal) Matriz (cortan y forman láminas de metal) Herramientas de corte (remueven material) Accesorios (sostienen ¡a pieza de trabajo) Plantillas (guían las herramientas) Rueda de esmeril (remueve material) Electrodos (funden el metal de la pieza) Accesorios (sostienen la pieza durante la operación de soldado)

Tabla 4. Equipo de producción y herramientas que se usan en varios procesos de manufactura.

4.- SISTEMAS DE PRODUCCION Para operar en forma efectiva, una empresa manufacturera debe tener sistemas que le permitan lograr eficientemente el tipo de producción que realiza. Los sistemas de producción consisten en mano de obra, equipos y procedimientos diseñados para combinar los materiales y procesos que constituyen sus operaciones de manufactura. Los sistemas de producción pueden dividirse en dos categorías:

1) instalaciones y 2) apoyo a la manufactura.

Las instalaciones se refieren al equipo físico y su disposición en la planta. Los sistemas de apoyo a la manufactura son los procedimientos usados por la compañía para administrar la producción y resolver los problemas técnicos y logísticos que surgen en el ordenamiento de los materiales, el movimiento de los trabajos en la planta, y la seguridad de que los productos cumplen con las normas de calidad. Ambas categorías de sistemas de producción incluyen al personal; ellos hacen que estos sistemas trabajen. En general, el personal operativo (trabajadores de cuello azul, u obreros) es responsable de operar el equipo de manufactura y el personal profesional (trabajadores de cuello blanco, o administrativo) es responsable del apoyo a la manufactura. 4.1.- Instalaciones para la producción Las instalaciones de producción comprenden la planta, el equipo de producción y el equipo de manejo de materiales. El equipo entra en contacto físico directo con las partes y ensambles conforme éstos se fabrican. Las instalaciones "tocan" el producto. En éstas se incluye también la distribución del equipo dentro de la fábrica: la disposición de la planta.

11 Una compañía manufacturera trata de organizar cada una de sus fábricas en la forma más eficiente para cumplir la misión particular de cada planta. Se han reconocido a través de los años, ciertos tipos de instalaciones que representan la manera más apropiada para organizar determinados tipos de manufactura. Se requieren diferentes instalaciones para cada uno de los tres rangos definidos anteriormente (baja, mediana y alta producción). Producción en baja cantidad: En la gama de baja cantidad de producción (1 a 100 unidades / año) se usa frecuentemente el término de taller de trabajo para describir las instalaciones de producción. Un taller de trabajo hace bajas cantidades de productos especializados y a la medida. Los productos allí elaborados son típicamente complejos, tales como cápsulas espaciales, prototipos de aeronaves y maquinaria especial. El equipo en un taller de trabajo es de propósito general y la mano de obra es altamente calificada. Un taller de trabajo debe diseñarse para máxima flexibilidad, a fin de enfrentar la amplia variedad de productos que se pueden fabricar (variedad fuerte de productos). Si el producto es grande y pesado, y por tanto difícil de mover dentro de la fábrica, tendrá que permanecer en una ubicación única mientras se fabrica o ensambla. Los trabajadores y el equipo de proceso son llevados al lugar del producto en lugar de que el producto se mueva hacia el equipo. Este tipo de disposición de planta se conoce como disposición de posición fija, el cual se ilustra en la Fig. 9 (a). En tal situación, el producto permanece en una sola ubicación durante todo el proceso de producción. Ejemplos de tales productos son los buques, aeronaves, locomotoras y maquinaria pesada. En la práctica, estos productos se construyen comúnmente en módulos grandes con ubicaciones únicas, y luego los módulos completos se reúnen para su ensamble final usando grúas de gran capacidad.

FIGURA 9a. Disposición de posición fija. Los componentes individuales que forman estos grandes productos se hacen comúnmente en fábricas donde el equipo se dispone según su función o tipo. A este arreglo se le llama disposición de proceso. Los tornos están en un departamento, las fresadoras en otro, etc. como se muestra en la Fig. 9 (b). Las diferentes partes que requiere cada sucesión diferente de operaciones se mueven a través de los departamentos de acuerdo con el orden particular necesario que se requiere para su proceso, manufacturando en lotes generalmente. La disposición del proceso es notable por su flexibilidad, puede acomodar una gran variedad de secuencias distintas de operación para las diferentes configuraciones de las partes del producto. Su desventaja es que la maquinaria y los métodos de fabricación de estos productos no están diseñados para una alta eficiencia, y también se requiere mucho manejo de materiales para mover las partes entre los departamentos.

FIGURA 9b. Disposición de proceso.

12 Producción en mediana cantidad: En este rango de producción media (100 a 10.000 unidades por año) distinguimos dos tipos diferentes de instalaciones, dependiendo de la variedad de productos. Cuando la variedad del producto es fuerte, el enfoque usual es la producción por lotes, en la cual se fabrica un lote de productos, después de éste se cambian las instalaciones para producir un lote del siguiente producto, y así sucesivamente. Las órdenes de producción de cada producto se repiten. La velocidad de producción del equipo es mayor que la demanda por un tipo único de producto, de esta forma puede compartiese el mismo equipo entre múltiples productos. El cambio entre corridas de producción toma tiempo para cambiar las herramientas y para ajustar la maquinaria. Este intervalo destinado al montaje es tiempo perdido de producción, y es una desventaja en la manufactura por lotes. La producción por lotes se usa generalmente para reponer existencias en un inventario que se agota por la demanda. El equipo se organiza en una disposición de proceso, véase la Fig. 9b. Es posible un enfoque alternativo de producción en cantidades medias si la variedad de productos es suave. En este caso, puede no requerirse un cambio grande entre una corrida de producción y la siguiente. A veces es posible configurar el equipo, para que los grupos de productos similares puedan manufacturarse en el mismo equipo sin perder mucho tiempo en el cambio de herramientas. El proceso o ensamble de los diferentes productos o partes se realiza en células que consisten en varias estaciones de trabajo o máquinas. El término manufactura celular se asocia frecuentemente con este tipo de producción. Cada célula se diseña para producir una variedad limitada de las configuraciones de parte; es decir, la célula se especializa en la producción de un conjunto determinado de partes similares, según los principios de la tecnología de grupos. La disposición de planta se llama disposición celular (el término disposición de tecnología de grupos también es común) y se muestra en la Fig. 9c.

FIGURA 9c y 9d. disposición celular (c) y disposición en línea(d). Producción en altas cantidades: El rango de alta cantidad de producción (de l0.000 a millones de unidades por año) se conoce como producción en masa. La situación se caracteriza por una alta demanda del producto y porque las instalaciones están dedicadas a la manufactura de ese único producto. Pueden distinguirse dos categorías de producción en masa:

1) producción en cantidad y 2) producción en línea.

La producción en cantidad comprende la producción en masa de piezas sencillas con equipos de tecnología sencillos. El método de producción involucra máquinas estándar (como prensas de estampado) equipadas con herramientas especiales (como dados y dispositivos para manejar el material) que habilitan efectivamente al equipo para la producción de un solo tipo de pieza. Las disposiciones de planta típicas que se usan en la producción de grandes cantidades son: la disposición de procesos y la disposición celular Fig. 9b y 9c. La producción en línea de flujo implica múltiples equipos o estaciones de trabajo dispuestas en secuencia, a través de la cual se mueven físicamente las unidades de trabajo para completar el producto. El equipo y las estaciones de trabajo están diseñados para procesar el producto con la mayor eficiencia.

13 La disposición recibe el nombre de disposición del producto, y las estaciones de trabajo se disponen a lo largo de una línea, como se muestra en la Fig. 9d, o dentro de una serie de segmentos conectados. El trabajo generalmente se mueve entre las estaciones por transportadores mecanizados. En cada estación se termina una pequeña cantidad de trabajo sobre cada unidad o producto. El ejemplo más familiar de producción en línea de flujo es la línea de ensamble de productos, tales como los automóviles y algunos aparatos domésticos. En el caso fundamental de producción en línea de flujo no hay variación en los productos hechos en la línea. Todos los productos son idénticos y la línea se dedica a la producción de un solo modelo. Para comercializar exitosamente un producto determinado es útil introducir variaciones en el aspecto y los modelos para que los clientes puedan elegir la mercancía exacta que más les atraiga. Desde el punto de vista de producción, las diferencias en el aspecto representan un caso de variedad suave de productos. El término línea de producción de modelos mixtos se aplica a las situaciones donde existe una variedad suave en los productos manufacturados en la línea. El ensamble moderno de automóviles es un ejemplo, en el cual los automóviles que salen de la línea de ensamble tienen una variedad de opciones y accesorios que representan modelos y marcas diferentes para el mismo diseño básico de automóvil. 4.2.- Sistemas de apoyo a la manufactura Para operar las instalaciones eficientemente, una compañía debe organizarse para diseñar los procesos y los equipos, planear y controlar las órdenes de producción, y satisfacer los requisitos de calidad del producto. Estas funciones se realizan con los sistemas de apoyo a la manufactura, el personal y los procedimientos mediante, los cuales una compañía administra sus operaciones de producción. La mayoría de estos sistemas de apoyo no tienen contacto directo con el producto, pero planean y controlan su avance dentro de la fábrica. Las funciones de apoyo a la manufactura son frecuentemente realizadas en la empresa por personal organizado dentro de departamentos tales como: Ingeniería de manufactura . Este departamento es responsable de planear los procesos de manufactura, es decir, decide cuáles procesos deben usarse para fabricar las partes y ensamblar los productos. Se encarga también de diseñar y ordenar las máquinas herramienta y otros equipos que utilizan los departamentos operativos para realizar el procesado y ensamble de productos. Planeación y control de la producción . Este departamento es responsable de resolver los problemas logísticos en la manufactura: ordenar los materiales y partes a comprar, programar la producción y asegurar que los departamentos operativos tengan la capacidad necesaria para cumplir con los planes de producción. Control de calidad . En el ambiente competitivo de hoy en día, la producción de artículos de alta calidad debe tener la más alta prioridad de cualquier empresa manufacturera. Ello significa diseñar y construir productos que satisfagan las especificaciones y satisfagan o excedan las expectativas de los consumidores. Gran parte de este esfuerzo es responsabilidad de control de calidad. 5.- METALES En la actualidad, los metales son el material más importante de ingeniería. Tienen propiedades que satisfacen una amplia variedad de requerimientos de diseño. Los procesos de manufactura que transforman a los metales en productos útiles se han desarrollado en forma continua a través de muchos años, en realidad, algunos de los procesos datan desde tiempos antiguos. En este capítulo consideraremos las propiedades y otros aspectos técnicos relacionados con los metales. La importancia tecnológica y comercial de los metales se debe a las siguientes propiedades que poseen casi todos los metales comunes. Alta rigidez y resistencia. Pueden alearse para conseguir una alta rigidez, resistencia y dureza; su utilización proporciona un marco estructural para la mayoría de los productos de ingeniería. Tenacidad. Tienen una mejor capacidad para absorber energía que cualquier otra clase de material. Buena conductividad eléctrica. Son excelentes conductores eléctricos, debido a que sus enlaces metálicos permiten el libre movimiento de electrones como portadores de carga.

14 Buena conductividad térmica. Los enlaces metálicos explican también por qué los metales son mejores conductores del calor que los cerámicas y los polímeros. Además, ciertos metales tienen propiedades específicas que los hacen atractivos para aplicaciones especializadas. Muchos de los metales comunes se encuentran disponibles a un costo por unidad de peso relativamente bajo, y muchas veces son elegidos precisamente por eso. Los metales se transforman en partes y productos mediante diversos procesos de manufactura. A esta diversidad se debe que la presentación física del metal difiera en la etapa inicial. Las principales categorías son:

1) metal fundido, en el cual la forma inicial es una pieza fundida; 2) metal trabajado, el metal ha sido trabajado o puede trabajarse (por ejemplo, laminado o conformado de

alguna otra manera) después de un proceso de fundido; las propiedades mecánicas de los metales trabajados son mejores, comparadas con las de los metales fundidos; y

3) metal pulverizado, el metal se adquiere en forma de polvos muy finos con el fin de convertirlos en piezas mediante las técnicas de metalurgia de polvos.

Los metales se clasifican en dos grandes grupos:

1) ferrosos, aquellos basados en el hierro, y 2) no ferrosos, todos los demás metales.

El grupo ferroso se divide, a su vez, en aceros y fundiciones de hierro. 5.1.- ALEACIONES Y DIAGRAMAS DE FASE Aunque algunos metales son importantes como elementos puros (el oro, la plata y el cobre) la mayoría de sus aplicaciones en ingeniería requieren la combinación de éstos a través de una aleación, porque se pueden mejorar propiedades como la resistencia, la dureza y algunas otras que llegan a ser superiores al compararlas con las de los metales puros. 5.1.1.- Aleaciones Una aleación es un metal compuesto de dos o más elementos, de los cuales por lo menos uno es metálico. Las principales categorías de aleaciones son:

1) soluciones sólidas y 2) fases intermedias.

Soluciones sólidas: Una solución sólida es una aleación en la cual un elemento está disuelto en otro para formar una estructura de fase única. El término fase describe cualquier masa homogénea de material, tal como un metal en el que los granos tienen la misma estructura reticular. En una solución sólida, el solvente o elemento base es metálico, y el elemento disuelto puede ser metálico o no metálico. Las soluciones sólidas vienen en dos formas, como se muestra en la Fig. 1. La primera es una solución sólida substitucional, donde los átomos del elemento solvente son reemplazados en su celda unitaria por átomos del elemento disuelto. El latón es un ejemplo en donde el zinc se disuelve en el cobre. El segundo tipo de solución sólida es una solución sólida intersticial, en la cual los átomos del elemento disuelto se introducen en los espacios vacantes interatómicos de la estructura reticular del metal base. El ejemplo más importante de este segundo tipo es el carbono disuelto en el hierro para formar acero. En ambas formas de solución sólida, la estructura de la aleación es generalmente más dura y resistente que cualquiera de sus elementos por separado.

FIGURA 7.1 Dos formas de soluciones sólidas: (a) solución sólida substitucional y solución sólida intersticial.

15 Fases intermedias: Usualmente existen límites en la solubilidad de un elemento en otro. Cuando la cantidad de un elemento disuelto en la aleación excede la solubilidad sólida límite del metal base, se forma una segunda fase en la aleación. El término fase intermedia se usa para describirla, porque su composición química es intermedia entre los dos elementos puros. Su estructura cristalina es también diferente de los metales puros. Dependiendo de la composición, ya que muchas aleaciones contienen más de dos elementos, estas fases intermedias pueden ser de varios tipos, entre las que se encuentran:

1) compuestos metálicos, que están constituidos por un metal y un no metal como el Fe3C y 2) compuestos ínter metálicos formados por dos metales que forman un compuesto, como el Mg2Pb.

A menudo, la composición de la aleación es tal que la fase intermedia se mezcla con la solución sólida primaria para formar una estructura de dos fases, una fase dispersa a lo largo de la segunda. Estas aleaciones de dos fases son importantes, porque pueden formularse y tratarse térmicamente para obtener una resistencia significativamente mayor que la de las soluciones sólidas. 5.1.2.- Diagramas de fase Un diagrama de fase, es un medio gráfico para representar las fases de un sistema de aleación metálica como una función de la composición y la temperatura. Nuestro análisis del diagrama se limitará a sistemas de aleación constituidos por dos elementos a presiones atmosféricas. Este tipo de diagramas se llama diagrama de fase binario. 5.2.1.- Diagrama de fase hierro-carbono El diagrama de fase hierro-carbono se muestra en la Fig. 4. El hierro puro se funde a 1.539°C. Durant e el ascenso de la temperatura (desde la temperatura ambiente) sufre varias transformaciones en su fase sólida como se indica en el diagrama. A partir de la temperatura ambiente la fase es alfa (α), también llamada ferrita. A 912°C, la ferrita se transforma en gama (γ) llamada austenita. Ésta, a su vez, se transforma en delta (δ) a los 1.394°C, fase en la que permanece hasta que ocurre la fusión. El hierro se encuentra disponible como producto comercial en varios niveles de pureza. El hierro electrolítico es el más puro, contiene alrededor del 99.00%, se usa en investigación y otras aplicaciones en las que se requiere un alto grado de pureza. El hierro de lingote, con un contenido de impurezas del orden de 0,1 % (incluyendo cerca de 0,01 % de C), se utiliza en aplicaciones donde se necesita alta ductilidad y resistencia a la corrosión. El hierro dulce contiene alrededor de 3% de escoria, pero muy poco carbono, y se puede trabajar fácilmente en operaciones de formado en caliente como el forjado.

FIGURA 7.4 Diagrama de fase para el sistema hierro-carbono, por arriba de¡ 6% de carbono.

16 Los límites de solubilidad del carbono en el hierro son bajos en la fase ferrita, solamente un 0,022% a 723°C. La austenita puede disolver hasta casi un 2,1% de carbono a una temperatura de 1.130°C. Esta diferencia en solubilidad entre las fases alfa y gama ofrece oportunidades para el fortalecimiento por tratamiento térmico. Aun sin tratamiento térmico, la resistencia del acero aumenta dramáticamente conforme aumenta el contenido de carbono, aquí entramos a la región en que el metal cambia su nombre por el de acero. Más precisamente, el acero se define como una aleación hierro-carbono que contiene de 0,02% a 2,11% de carbono; también los aceros pueden contener otros elementos aleantes. En el diagrama podemos observar una composición eutéctica a una concentración de 4,3% de carbono. Hay en la región sólida del diagrama una característica similar a una concentración de 0,77% de carbono y 723°C. A ésta se le llama composición eutectoide. Los aceros por debajo de este nivel de carbono son conocidos como aceros hipoeutectoides, y arriba de este nivel, de 0,77 a 2,11 % de carbono, se les llama aceros hipereutectoides. Además de las fases mencionadas, hay otra fase prominente en el sistema de aleación hierrocarbono. Ésta es Fe3C, también conocida como cementita, una fase intermedia: compuesto metálico de hierro y carbono que es duro y frágil. A temperaturas bajo condiciones de equilibrio las aleaciones hierrocarbono forman un sistema de dos fases, aun a niveles de carbono ligeramente superiores a cero. El contenido de carbono en el acero fluctúa precisamente entre estos bajos niveles y hasta el 2,11% de carbono. Arriba del 2,11% hasta cerca del 4 o 5% de carbono la aleación se define como fundición de hierro. 5.2.2.- Producción del hierro y del acero Menas de hierro y otras materias primas: La mena principal usada en la producción de hierro y acero es la hematita (Fe2O3). Otras menas incluyen la magnetita (Fe3O4), la siderita (FeCO3) y la limonita (Fe2O3-xH20) donde x vale alrededor de 1,5. Las menas de hierro contienen de un 50 a un 70% de hierro, dependiendo de su concentración, la hematita contiene casi 70% de hierro. Además, hoy se usa ampliamente la chatarra como materia prima para la fabricación de hierro y acero. Las otras materias primas que se necesitan para reducir el hierro de sus menas, son el coque y la piedra caliza. El coque es un combustible de alto carbono, producido por el calentamiento de carbón bituminoso en una atmósfera con bajo contenido de oxígeno durante varias horas, seguido de una aspersión de agua en torres especiales de enfriamiento. El coque desempeña dos funciones en el proceso de reducción:

1. es un combustible que proporciona calor para la reacción química y 2. produce monóxido de carbono (CO) para reducir las menas de hierro.

La piedra caliza es una roca que contiene altas proporciones de carbonato de calcio (CaCO3). Esta piedra caliza se usa en el proceso como un fundente que reacciona con las impurezas presentes y las remueve del hierro fundido como escoria. Producción de hierro: Para producir hierro, se deja caer por la parte superior de un alto horno una carga de menas de hierro, coque y piedra caliza. Un alto horno es una cámara revestida con refractario, de alrededor de 9 a 15 m de diámetro en su parte más ancha y una altura de 40 m, en la cual se hace pasar una corriente de gases calientes a gran velocidad desde la parte baja de la cámara para realizar la combustión y la reducción del hierro. En las Figs. 5 y 6 se ilustran algunos detalles técnicos de un alto horno típico. La carga desciende lentamente desde lo alto del horno hacia la base y en el trayecto alcanza temperaturas alrededor de 1650°C. Los g ases calientes (CO, H2, C2, H2O, N2, O2 y los combustibles) realizan la combustión del coque conforme pasan hacia arriba, a través de la carga de materiales. El monóxido de carbono se suministra como un gas caliente, pero también se forma adicionalmente por la combustión del coque.

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FIGURA 5.- Sección transversal de un alto horno para la producción de hierro mostrando sus componentes principales. El gas CO tiene un efecto reductor sobre las menas de hierro; la reacción simplificada se describe a continuación (usando la hematita como la mena original):

Fe2O3 + CO > 2FeO + CO2 el bióxido de carbono reacciona con el coque para formar más monóxido de carbono:

CO2 + C (coque) > 2CO el cual realiza la reducción final de FeO a hierro:

FeO + CO > Fe + CO2 El hierro fundido escurre hacia abajo, acumulándose en la base del alto horno. Éste se vacía periódicamente en carros cuchara (o carros torpedo) que lo transfieren a las siguientes operaciones de la producción de acero. El papel que juega la piedra caliza se resume en la siguiente ecuación. Primero se reduce a cal (CaO) por calentamiento:

CaCO3 > CaO + C02 La cal se combina con impurezas tales como sílice (SiO2), azufre (S) y aluminio (Al2O3) en reacciones que producen una escoria fundida que flota encima del hierro.

FIGURA 6.- Diagrama esquemático indicando los detalles de la operación del alto horno.

18 Es interesante hacer notar que se requieren aproximadamente siete toneladas de materia prima para producir una tonelada de hierro. La proporción de los ingredientes es aproximadamente: 2 toneladas de mena de hierro, 1 tonelada de coque y 0,5 tonelada de piedra caliza, y 3,5 toneladas de gases. El hierro sangrado (vaciado) de la base del alto horno (llamado arrabio) contiene sobre 4% de carbono, más otras impurezas: 0,3 a 1,3 de Si, 0,5 a 2% de Mn, 0,1% a 1 de P y 0,02 a 0,08% de S. Tanto en la fundición de hierro como en la del acero se requieren refinamientos posteriores. Para convertir el arrabio en hierro colado gris se usa comúnmente un horno llamado cubilote. Para el acero, las composiciones deben controlarse más estrechamente y las impurezas llevarse a niveles mucho más bajos. Producción de acero: Desde mediados del siglo XIX, se han desarrollado procesos para refinar el arrabio y convertirlo en acero. Actualmente los dos procesos más importantes son el horno básico de oxígeno HBO (en inglés BOF, de basic oxigen furnace) y el horno eléctrico. Ambos se usan para producir aceros al carbono y de aleación. En el horno básico de oxígeno se procesa alrededor del 70% de la producción de acero. El BOF es una adaptación del convertidor Bessemer. Mientras el proceso Bessemer usa una corriente de aire a través del arrabio fundido para quemar las impurezas, el proceso de oxígeno básico usa oxígeno puro. En la Fig. 7 se ilustra un diagrama del BOF convencional a mitad de una hornada. El recipiente del BOF típico tiene 5 m de diámetro interior y puede procesar de 150 a 200 toneladas en una hornada.

En la Fig. 8 se muestra la secuencia de la fabricación de acero en el BOF. En las plantas siderúrgicas integradas se traslada el arrabio fundido en vagones llamados carros cuchara de hierro caliente. En la práctica moderna se le añade alrededor de un 30% de chatarra al arrabio en una carga típica del BOF y también se le agrega cal (CaO). Se sopla oxígeno puro a alta velocidad a través de la lanza, causando la combustión y el calentamiento en la superficie de la masa fundida. El carbono disuelto en el hierro y otras impurezas como silicio, manganeso y fósforo, se oxidan. Las reacciones son:

2C + O2 > 2CO (también se produce CO2) Si + O2 > SiO2

2Mn + O2 > 2MnO 4P + 5O2 > 2P2O5

FIGURA 7.- Horno básico de oxígeno mostrando el recipiente BOF durante el procesamiento de una hornada.

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FIGURA 8.- Secuencia durante el ciclo de procesamiento en BOF: (1) carga de la chatarra y (2) arrabio, (3) soplado (Fig. 7); (4) sangrado del acero fundido; y (5) vaciado de la escoria.

Los gases CO Y CO2 producidos en la primera reacción escapan a través de la boca del recipiente del BOF y se recogen en la campana de humos; los productos de las otras tres reacciones se remueven como escoria, usando la cal como agente fundente. El contenido de carbono en el hierro decrece casi linealmente durante el tiempo de proceso, esto permite un buen control predecible sobre los niveles de carbono en el acero. Después de refinarla al nivel deseado, la fundición de acero se sangra, los ingredientes de aleación y otros aditivos se depositan en la hornada y después se vacía la escoria. Una hornada de 200 toneladas de acero puede procesarse en cerca de 20 minutos, aunque el tiempo para el ciclo entero (tiempo entre sangrado y sangrado) toma alrededor de 45 minutos. Los recientes avances en la tecnología del proceso de oxígeno básico incluyen el uso de boquillas en el fondo del recipiente, a través de éstas se inyecta el oxígeno en el hierro fundido. Esto permite un mejor mezclado que la lanza convencional del BOF, el resultado son tiempos de proceso más cortos (una reducción de 3 minutos aproximadamente), más bajos contenidos de carbono y altos rendimientos. El acero producido en horno de arco eléctrico (Heroult) representa cerca del 30% de la producción de acero. Aunque originalmente se usó el arrabio como carga en este tipo de horno, la chatarra de acero es actualmente la materia prima principal. Los hornos de arco eléctrico se consiguen en varios diseños; el tipo más económico es el de arco directo mostrado en la Fig. 9. Estos hornos tienen tapas removibles para cargarlos por arriba; el sangrado se realiza inclinando el horno entero. Se cargan en el horno la chatarra de hierro y acero junto con los ingredientes aleantes (adecuados para tal composición) y la piedra caliza (fundente), la mezcla se calienta por medio de un arco eléctrico que fluye entre los grandes electrodos y la carga de metal. El fundido completo requiere alrededor de dos horas y el tiempo entre sangrías es de cuatro horas. Las capacidades de los hornos eléctricos fluctúan comúnmente en escalas entre 25 y 100 toneladas por hornada. Los hornos de arco eléctrico son notables porque se obtiene una mejor calidad del acero, pero el costo por tonelada es más alto comparado con el BO. Los hornos eléctricos de arco se asocian generalmente con la producción de aceros de aleación, aceros de herramienta y aceros inoxidables.

FIGURA 9 Horno de arco eléctrico

20 Colado de lingotes: El acero producido mediante el BOF o el horno de arco eléctrico se solidifican para procesamientos subsiguientes, ya sea como lingotes de fundición o por colada continua. Los lingotes de fundición son fundiciones grandes y discretas que pesan desde menos de una tonelada hasta cerca de 300 toneladas (el peso de una hornada entera). Los moldes de lingotes o lingoteras se hacen de hierro de alto carbono y están ahusados en la parte superior o en el fondo para remover la pieza colada. En la Fig.10 se ilustra una lingotera de fondo ancho. La sección transversal puede ser cuadrada, rectangular o redonda; el perímetro es generalmente corrugado para incrementar el área superficial y para obtener un enfriado más rápido. La lingotera se coloca en una plataforma llamada escabel. Después de la solidificación se levanta la lingotera, dejando la fundición en el escabel.

FIGURA 10 Lingotera típica de fondo ancho usada en la producción de acero. Debido a que los lingotes son tan grandes, el tiempo requerido para su solidificación y rechupe es significativo. La porosidad causada por la reacción del carbono y del oxígeno produce CO durante el enfriamiento y solidificación, éste es un problema que debe resolverse durante la fusión de los lingotes. Estos gases se liberan en la fundición de acero debido a la reducción de su solubilidad con el descenso de la temperatura. Las fundiciones de acero se tratan frecuentemente para limitar o prevenir la evolución del gas CO durante la solidificación. El tratamiento consiste en la adición de elementos tales como Si y Al que reaccionan con el oxígeno disuelto en la fundición de acero, de manera que no quede disponible más oxígeno para la formación de CO. La estructura del acero sólido queda así libre de poros y otros defectos causados por la formación de gas. Colada continua: La colada continua se usa ampliamente en la producción de aluminio y cobre, pero su aplicación es más digna de mencionar en la fabricación de acero. El proceso está reemplazando el colado de lingotes debido a sus dramáticos incrementos en la productividad. El colado de lingotes es un proceso discreto. Debido a que las lingoteras son relativamente grandes consumen un tiempo de solidificación significativo. Para un lingote grande de acero, la solidificación puede tomar de 10 a 12 horas. El uso de la colada continua reduce significativamente este tiempo. El proceso de colada continua, también llamado fundición, se ilustra en la Fig.11. La fundición de acero se vacía de una cuchara de colada a un depósito temporal (llamado tundish ), el cual suministra el metal a uno o más moldes de colada continua. El acero empieza a solidificar en las regiones exteriores conforme desciende a través del molde enfriado por agua. Los aspersores de agua aceleran el proceso de enfriamiento. El metal se dobla de una orientación vertical a otra horizontal mientras se encuentra aún caliente y plástico. Después se corta en secciones o se alimenta continuamente a un molino laminador en el cual se convierte en placa, lámina u otros perfiles. 5.2.3 Aceros El acero es una aleación de hierro que contiene entre 0,02 y 2,11% de carbono en peso. Frecuentemente se incluyen otros elementos aleantes como: manganeso, cromo, níquel y molibdeno, pero el contenido de carbono es el que convierte el hierro en acero. Existen cientos de composiciones disponibles en el mercado. Se pueden agrupar aquí con fines de clasificación en las siguientes categorías: 1) aceros al carbono, 2) aceros de baja aleación, 3) aceros inoxidables y 4) aceros de herramienta.

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FIGURA 11.- Colada continua; el acero se vacía en el depósito (tundish) y se distribuye en un molde de colada continua; se solidifica conforme baja a través del molde . El espesor de la plancha se ha exagerado para mostrarlo con mayor claridad.

Aceros al carbono Estos aceros contienen carbono como principal elemento de aleación, con solamente pequeñas cantidades de otros elementos (cerca del 0.5% de manganeso es normal). La resistencia de los aceros al carbono se incremento con el contenido de carbono; en la Fig. 12 se ilustra una gráfica típica de esta relación. De acuerdo a un esquema de especificaciones desarrollado por la American Iron and Steel Institute (AISI) y la Society of Automotive Engineers (SAE), los aceros al carbono se especifican por un sistema de numeración de cuatro dígitos: 10XX, donde 10 indica que el acero es al carbono, y XX indica el porcentaje de carbono en cientos o puntos porcentuales.

FIGURA 12.- Resistencia a la tensión y dureza como una función del contenido de carbono en los aceros al carbono

(laminados en caliente). Por ejemplo, el acero 1020 contiene 0,20% de carbono. Los aceros al carbono se clasifican típicamente en tres grupos de acuerdo con su contenido de carbono: 1.- Aceros de bajo carbono, con menos de 0,20% de carbono, son los aceros más ampliamente usados. Sus aplicaciones típicas son partes de lámina metálica para automóviles, plancha de acero para la fabricación y rieles de ferrocarril. Estos aceros son relativamente fáciles de formar, de ahí su popularidad donde no se requiere una alta resistencia. Las fundiciones de acero caen usualmente dentro de esta categoría de bajo carbono. 2.- Los aceros de medio carbono fluctúan en contenido de carbono entre el 0,2 y 0,50% y se especifican para aplicaciones que requieren resistencias mayores que las de los aceros al bajo carbono. Sus aplicaciones incluyen componentes de maquinaria y partes de motores, como cigüeñales y acoplamientos. 3.- Los aceros de alto carbono en cantidades mayores al 0,50%. Se especifican aun para aplicaciones de alta resistencia y donde se necesita rigidez y dureza. Algunos ejemplos son los resortes, las herramientas de corte y las cuchillas, así como las partes resistentes al desgaste.

22 5.2.4.- Fundiciones de hierro La fundición de hierro (conocida también como hierro colado) es una aleación que contiene de 2,11% hasta cerca del 4% de carbono y de 1 a 3% de silicio, composición que lo hace bastante adecuado como metal de fundición; de hecho, el tonelaje de fundiciones de hierro representa varias veces el de todos los otros metales juntos, excluyendo el hierro en lingotes que se hace durante la producción de acero y que se convierte en barras, planchas y material similar mediante laminación. El tonelaje global de fundición de hierro está en segundo lugar, pero sólo con respecto al acero entre todos los metales. Hay varios tipos de fundiciones de hierro, la fundición gris es la más importante. Otros tipos incluyen la fundición nodular (dúctil), la fundición blanca, la fundición maleable y varias fundiciones de hierro aleado. La Fig. 13 muestra la composición química típica de varias fundiciones grises y blancas así como su relación con fundiciones de acero. Las fundiciones dúctiles y maleables tienen composiciones químicas similares a las fundiciones grises y blancas respectivamente, pero resultan de tratamientos especiales.

FIGURA 13. Composiciones de carbono y silicio para las fundiciones de hierro comparadas con la de los aceros, (la mayoría de los aceros poseen contenidos de silicio relativamente bajos; las fundiciones de acero tienen el contenido más alto de silicio).

El hierro dúctil se forma mediante tratamiento especial de fusión y vaciado de la fundición gris, y el hierro maleable se forma por tratamiento térmico de la fundición blanca.

Fundición gris: La fundición gris representa el mayor tonelaje entre las fundiciones de hierro. Tiene una composición que varía entre 2,5 y 4% de carbono y 1 a 3% de silicio. Las reacciones químicas internas derivan en la formación de láminas de grafito (carbono) distribuidas a todo lo largo del producto fundido en la solidificación. Esta estructura es la causa de que la superficie del metal tenga un color gris cuando se fractura; de aquí el nombre de fundición gris. La dispersión de las láminas de grafito representa dos propiedades atractivas:

1) buena amortiguación a la vibración, que es una característica deseable en motores y otras máquinas; y 2) cualidades de lubricación internas, que hacen maquinable la fundición.

La resistencia a la compresión de la fundición gris es mayor que su resistencia a la tensión. Las propiedades de las fundiciones se pueden controlar de alguna forma por tratamiento térmico. La ductilidad de la fundición gris es muy baja, es un material relativamente frágil. Los productos hechos con fundición gris incluyen monobloques y cabezas para motores de automóviles, cárters y bases de máquinas herramientas. Fundición nodular (dúctil): Es un hierro con la composición del hierro gris, en el cual el metal fundido se trata químicamente antes de vaciarlo para provocar la formación de nódulos de grafito en lugar de láminas. El resultado es un hierro más fuerte y más dúctil, de aquí el nombre de fundición dúctil. Sus aplicaciones incluyen componentes de maquinaria que requieren alta resistencia mecánica y buena resistencia al desgaste. Fundición blanca: Posee menor contenido de carbono y silicio que la fundición gris. Se forma mediante un enfriamiento más rápido del metal fundido después de haberlo vaciado, esto causa que el carbono permanezca combinado químicamente con el hierro en forma de cementita (carburo de hierro), en lugar de precipitar la solución en forma de láminas. Cuando la superficie se fractura tiene una apariencia blanca cristalina que da su nombre a la fundición. Debido a la cementita, la fundición blanca es dura y frágil, y su resistencia al desgaste es excelente. Su resistencia mecánica típica es buena con una TS de 276 MPa. Estas propiedades de la fundición blanca la hacen adaptable para aplicaciones donde se requiere resistencia al desgaste. Las zapatas para freno de ferrocarril son un ejemplo clásico. Fundición maleable: Cuando las piezas de fundición blanca se tratan térmicamente para separar el carbono en solución y formar agregados de grafito, el metal resultante se llama fundición maleable. La nueva micro estructura puede tener una ductilidad sustancial (arriba de 20% de elongación), que es una diferencia significativa con

23 respecto al metal del cual procede. Los productos típicos hechos con fundición maleable incluyen accesorios para tubería y bridas, algunos componentes para máquinas y partes de equipo ferroviario. Fundición de hierro aleado: La fundición de hierro puede alearse para obtener propiedades y aplicaciones especiales. Esta fundición de hierro aleado se puede clasificar en los siguientes tipos:

1) tratables térmicamente, que pueden endurecerse con la formación de martensita; 2) resistentes a la corrosión, cuyos elementos aleantes son el níquel y el cromo, típicos de los aceros

inoxidables; y 3) resistentes al calor, que contienen una alta proporción de níquel para mejorar la dureza en caliente y la

resistencia a la oxidación a altas temperaturas.

DIAGRAMA DE EQUILIBRIO METAESTABLE DE LA ALEACION F e-C 6.- FUSION DE LA FUNDICIÓN - CUBILOTES El cubilote es un horno a eje vertical, dentro del cual se coloca por capas alternadas el combustible y el metal a fundir, inyectándose por la parte inferior aire a presión, por medio de toberas convenientemente distribuidas, para activar la combustión, sin oxidar sensiblemente el metal líquido obtenido. Está formado por una envoltura cilíndrica (Fig.14) de chapas de acero dulce, por lo general remachadas o soldadas eléctricamente. Esta envoltura está revestida interiormente con mampostería refractaria, defendiéndola así de las altas temperaturas que se forman en el interior por efecto de la combustión.

24 El conjunto se compone de las siguientes partes principales:

1) Patas de sostén, por lo general columnas metálicas o tubos, las que en número de cuatro sostienen el cubilote.

2) Cámara de viento, a la cual llega el aire, procedente de un ventilador y que se reparte en el espacio anular para penetrar en el horno, pasando por las toberas, dispuestas en uno o en dos filas paralelas.

3) En la parte media, se encuentra la boca de carga, a través de la cual se introducen los materiales que componen la carga.

4) Estos materiales se disponen sobre una plataforma y llegan a ella mediante montacargas. 5) En la parte más alta se dispone una chimenea para la evacuación de los humos defendidos en la parte

superior por un sombrerete y telas metálicas para evitar la salida de las chispas. Los cubilotes pueden tener crisol en su propia base (Fig.14), o bien crisol separado (Fig.15). En ambos casos, el metal líquido sale por un canal de colada. En las figuras 17 y 18 puede verse esquemáticamente la forma del cubilote, así como también la manera como está cargado durante su funcionamiento. Las cargas se componen de tres elementos fundamentales: fundición, coque y fundente. Para comprender su funcionamiento, lo subdividiremos en zonas, en cada una de las cuales se produce una transformación a medida que las cargas descienden. Si denominamos solera al fondo del cubilote, formada por revestimiento refractario, sobre una puerta a bisagra que lo sostiene; la capacidad del metal líquido que puede acumularse, está dada por el volumen formado desde el fondo hasta un escurridero denominado “escoriadero", el cual permanece siempre abierto y por el cual salen las escorias líquidas que sobrenadan, apenas alcanzan ese nivel. El volumen formado desde el fondo hasta la primera fila de toberas, se denomina crisol. En esa zona cuela el metal líquido que se acumula. La salida de la escoria, ya es un indicio del nivel de la fundición. La salida del metal, por el escoriadero, indica que el crisol está colmado y que es necesario efectuar una sangría., La sangría se hace por el canal de colada. Este canal está ligeramente inclinado, para facilitar la salida del metal líquido. El metal sale por un agujero, cerrado por un tapón de arcilla cuando el horno está en funcionamiento. FIG.14. - Cubilote de ante crisol o crisol separado. FIG.15. - Cubilote del tipo común

25 1 - Columnas de sostén. 2.- Caja de viento. 3.- Boca de carga. 4.- Plataforma de carga. 5.- Chimenea. 6.- Ante crisol. 7.- Canal de colada. Por encima del escoriadero se encuentran las toberas, a través de las cuales circula el aire a la presión indispensable, para mantener la combustión. Las toberas comunican con la caja de viento o cámara de aire. La zona de fusión está compuesta en realidad de tres partes distintas:

1) Zona de fusión propiamente dicha en lo alto. 2) Zona de combustión. 3) Zona de colada.

FIG.16.-Parte inferior de un cubilote denominado de ante crisol.

1. Entrada de aire a presión. 2. Caja de viento. 3. Toberas de entrada de aire. 4. Puerta de encendido al iniciar la operación. 5. Puerta de limpieza. 6. Canal de colada.

En la zona de fusión, la temperatura es tan elevada que la fundición al entrar en ella funde gota a gota, la atraviesa y se acumula en el fondo del crisol. La cuba dispuesta encima de la zona de fusión es en realidad una zona de precalentamiento y al mismo tiempo un depósito del material que compone las distintas cargas. La cuba se termina a la altura de la puerta o tragante a través de la cual se introducen las cargas a intervalos regulares y convenientemente dosificadas. 6.1. FUNCIONAMIENTO. El cubilote se carga previamente con cierta cantidad de combustible, carga de encendido, hasta alcanzar a llenar el crisol y la zona de las toberas. Las cargas se completan luego con combustible, fundente y chatarra de fundición y lingote de primera fusión o arrabio.

26 Realizado el encendido y llegado a la incandescencia el combustible, lo que requiere varias horas, pues es necesario calentar todo el cubilote progresivamente; se completan recién las cargas activando la combustión mediante el aire a presión proveniente de las toberas. El combustible de encendido, se consume poco a poco y es reemplazado en parte por las cargas nuevas. Las capas de coque, dilatándose se traban contra las paredes del cubilote máxime cuando existe un ensanchamiento en la zona de las toberas. Alcanzado el estado de fusión mediante una activación de la entrada de aire por las toberas, el metal cuela y se acumula en el crisol; las escorias sobrenadan y salen por el escoriadero. Para retirar el metal fundido se rompe el tapón de arcilla que cierra el agujero de sangría, se recoge el metal en la "cuchara" y se vuelve a taponar mediante nuevos tapones, preparados y dispuestos de antemano a tal efecto.

1. Cuba de carga 2. Cámara de aire 3. Mirilla de observación 4. Crisol. 5. Escoriadero. 6. Canal de colada.

Fig.18

1. Campana. 2. Chimenea. 3. Boca de carga. 4. Plataforma de carga. 5. Chatarra de fundición. 6. Coque y fundente. 7. Zona de precalentamiento. 8. Zona de fusión. 9. Toberas. 10. Zonas de combustión. 11. Metal fundido. 12. Crisol. 13. Canal de colada. 14. Foso. 15. Solera. 16. Cámara de aire.

Fig.17

27 6.2. REVESTIMIENTO. El revestimiento interno de los cubilotes se hace utilizando ladrillos forma prismática con sección aproximadamente trapezoidal. Estos ladrillos deben ser refractarios para resistir la elevada temperatura de 1.400°C aproximadamente que existe en la zona de fusión. Una composición aproximada es la siguiente:

Sílice Si O2 = 87,5 % Alúmina AI2 O3 = 8,8 Oxido de hierro Fe2 O3 = 2,8 Cal Ca O = 0,9

Estos ladrillos se unen entre sí mediante un mortero igualmente refractario. El revestimiento debe secarse lentamente una vez ejecutado y sometido algunas horas a un fuego no muy fuerte. Los mejores revestimientos resultan aquellos cuyos ladrillos no funden a 1.800°C, no varían su forma n i resultan inatacables por la escoria. 6.3. DIMENSIONES DE LOS CUBILOTES 6.3.1. Sección en el plano de las toberas: EL dimensionamiento de los cubilotes se hace en base a la producción horaria de fundición a obtener. El cálculo tiende a establecer la sección en el plano de las toberas. Conocida la sección, se tiene el diámetro. Todas las demás dimensiones de un cubilote, se expresan en función de ese diámetro calculado. Se aconseja tomar como mínima, una sección media de:

1.300 cm2/ton horaria 6.3.1. Perfil y dimensiones: El perfil que adoptan los cubilotes, tiende a la forma cilíndrica. Las condiciones que debe cumplir el perfil de un cubilote son: a) Permitir con el menor diámetro una máxima producción horaria de fundición líquida; b) Descenso gradual de las cargas; c) Fácil evacuación de los gases.

Fig.19 Se aconseja la forma que indica la Fig.19, la cual se compone de tres partes: una zona cilíndrica, crisol y toberas de aire y dos troncos de cono unidos por sus bases mayores. Esta disposición permite el descenso de las cargas en forma regular y evita la trabazón con las paredes, que se produce a menudo en los cubilotes de forma cilíndrica.

28 Un estudio crítico de los distintos perfiles de cubilotes indica: El perfil, más corriente, es el cilíndrico total (1), el cual tiene algunos inconvenientes como fácil trabazón de las cargas y mayor consumo de coque para el encendido; sin embargo puede considerarse normal. Las ventajas que presentan son la regularidad en la construcción del revestimiento con ladrillos uniformes y la facilidad en las reparaciones. El perfil troncocónico (2) debe ser desechado, a pesar que facilita el descenso de las cargas; pero en cambio dificulta el ascenso de los gases. El perfil de distintos diámetros (3), mayor en la zona de las cargas y menor en el crisol, es apropiado para cubilotes de ante crisol, o sea de crisol separado. Los perfiles (4) y (5), tienen características mixtas de los anteriores, sin ventajas visibles. El perfil comúnmente adoptado es el (6).

Fig.20.

6.3.2. Cantidad de aire a suministrar por hora. Si admitimos un consumo de10 kg de coque por cada 100 kg de fundición, se tiene que la cantidad de aire debe ser:

1.000 m3/ton de fundición horaria. Además se aconseja una presión de aire promedio de 45 cm de altura de columna de agua. Se aconseja que las presiones no deban ser muy altas para evitar el desgaste excesivo del revestimiento refractario y reducir la merma del silicio y manganeso. 6.3.3. Toberas. La sección de las toberas debe ser suficiente para que el aire penetre sin dificultad hasta el centro del cubilote. En la práctica, resulta frecuentemente que las toberas se deformen, o los materiales de las carga las obstruyan parcialmente, por lo tanto es necesario tener en cuenta esos inconvenientes dando a las toberas una sección total, por lo menos, igual al cuarto de la sección del cubilote en ese lugar o sea S/4 hasta S/3. Es conveniente multiplicar lo más posible el número de toberas para repartir mejor el aire en el interior del cubilote. Con tal objeto se les da una forma semejante a un trapecio circular de sección rectangular. El conducto a través del cual pasa el aire se ensancha en abanico, por lo tanto la repartición es bastante uniforme (Fig. 21). Fig.21 Fig.22

29 La inclinación de los conductos, tiene por objeto dirigir la corriente de aire hacia abajo oponiéndose a la tendencia a ascender, como lógica consecuencia del tiraje (Fig.22). La mayor parte de los cubilotes medianos y grandes, están provistos de una segunda fila de toberas con el objeto de aumentar la rapidez de la fusión, quemar el óxido de carbono y producir así un aumento de temperatura en las zonas superiores. 6.3.4. Normas de dimensionamiento de cubilotes. El comité alemán de normas de la fundición, ha propuesto establecer solamente (6) tamaños de cubilote, los cuales según la índole de los trabajos que realizan, llevan o no llevan ante crisol. De acuerdo con la Fig.23 se denomina: H = Altura total del horno hasta el nivel de la puerta de carga. Esta altura se calcula en base a la proporción que guarda con el diámetro. Se procurará amoldarla al ancho de las chapas para evitar recortes. K = Altura entre nivel de tobera y nivel puerta de carga. A = Diámetro interior en mm. B = Diámetro exterior de la envoltura metálica. C = Diámetro interior del ante crisol. D = Diámetro de la tubería de aire.

Fig.23

Dimensiones de cubilotes sin y con ante crisol:

A mm B mm C mm

Ventiladores centrífugos

D mm m3/min. A utilizar

m3/min.

Producción

t/h

500 900 600 200 15 25 1

600 1.000 700 250 30 40 2

800 1.200 900 300 60 75 3

1.000 1.500 1.100 350 90 110 6

1.200 1.800 1.300 400 135 155 9

1.400 2.000 1.500 450 180 205 12

El diámetro exterior del ante crisol debe ser igual al diámetro del cubilote, pero el diámetro interior, es superior en 100 mm al del cubilote. La capacidad del ventilador, en m3/min. ha de ser mayor que la necesaria, para aumentar la seguridad de funcionamiento, por dos causas:

1) Rendimiento del ventilador; y 2) Necesidad de disponer de un mayor volumen de aire para aumentar o disminuir la producción.

Las dimensiones de los cubilotes menores que 500 mm diámetro, no se ha fijado por sus escasas aplicaciones.

30 6.3.5. Temperatura de fusión o de colada. La temperatura de la fundición varía entre 1.130° y 1.400°C, aproximadamente. Es preferible siempre un a alta temperatura por diversas razones:

1) para obtener una fundición desgasificada; 2) para hacer que la escoria resulten lo más fluidas posible y 3) suficiente recalentamiento para obtener suficiente fluidez del metal al hacer la colada.

Esta última condición es impuesta, además, por el espesor de las piezas a obtener. Así se aconseja para distintos valores de e:

Espesor de

las piezas

e(mm)

Temperatura

de fusión oC

< 5 1420

5 a 15 1380

15 a 40 1320

> 40 1280

6.3.6. Desulfuración y separación de escorias. El azufre es un elemento nocivo en las fundiciones; de allí la necesidad de reducir el porcentaje de este elemento al mínimo posible. Este porcentaje mínimo puede ser 0,1 %; en efecto, puede comprobarse experimentalmente que porcentajes más reducidos, mejoran poco la calidad del hierro. Para desulfurar, se emplean adiciones de piedra caliza y espato fluor aunque no siempre dan resultado satisfactorio. El espato fluor, contiene a veces, azufre combinado, por lo tanto su empleo puede dar resultados contraproducentes. El azufre proviene también del coque, el cual lo puede contener en estado de sulfuro. La adición del manganeso, también influye poco en la desulfuración de la fundición. Para salvar muchas de estas dificultades, se han propuesto cucharas con separador de escoria, las cuales consisten en recipientes con tabique formando sifón, de modo que sólo cuela el metal más denso al efectuar la inclinación para la colada. También se utilizan recipientes de mayor capacidad, inclinables en los cuales no solamente se deposita mayor cantidad de fundición líquida de dos o más sangrías, sino también se verifica una purificación y mezcla por la simple permanencia, de igual forma que en los mezcladores del arrabio colado del alto horno. Estos recipientes tienen separador de escoria y en ellos pueden echarse los agregados para producir la desulfuración. Las dimensiones que tornan, son a veces considerables, hay depósitos de fundición líquida para una carga de hasta 40 toneladas, con dispositivos para precalentar y para producir los distintos movimientos. 6.4. Ante crisol. El uso del ante crisol tiene una influencia favorable sobre la calidad de la fundición, no solamente porque en él se produce una mezcla, una homogenización de la fundición, sino porque también se produce una desulfuración y una mejor separación de las escorias. En cubilotes medianos, el ante crisol se construye pegado al cubilote mismo. En Estados Unidos el ante crisol está separado netamente del cubilote. En algunos casos no solamente la fundición fluye continuamente al ante crisol, sino que también puede salir continuamente del mismo ante crisol. Una disposición muy usada actualmente, es la de caldero-tetera (figura 24).

31

Fig.24

Las objeciones que se hacen a los ante crisoles es que complican al cubilote, enfrían la fundición y ésta pierde fluidez. Para evitarlo y especialmente cuando se usa el caldero-tetera, utilizado especialmente para la acumulación de una gran cantidad de fundición, se calienta el ante crisol con gas o con combustible líquido utilizando a tal efecto, un quemador que funciona mediante aire a presión suministrado por un compresor centrífugo (Fig.25).

FIG. 25. Caldero-tetera (ante crisol separado), con calentamiento a combustible líquido.

6.5. Cucharas de colada. Cada fundería debe tener varias cucharas de colada, de distintas dimensiones. Para piezas pequeñas se requiere pequeñas cucharas que se maniobran a mano, para piezas medianas se requieren cucharas de mayor capacidad y para piezas grandes, cucharas de grandes dimensiones que necesitan guinches para sostener su gran peso y traslado, y dispositivos mecánicos para inclinarlas durante la colada:

1) Cucharas de mano contienen 15 a 20 kg de metal líquido y en algunos casos 50 a 106 kg. En el primer caso, es una simple barra unida a un aro. En el segundo la barra de sostén se prolonga hacia ambos lados y requiere dos operarios (Fig.26).

Fig.26

2) Cucharas medianas, capacidad 100 hasta 500 kg; poseen dispositivos de suspensión en forma de horquilla que se enganchan en las barras de maniobra.

32

3) Cucharas grandes, presentan un aparato de suspensión y mecanismo para inclinar la cuchara y volcar el metal en los moldes.

Todas las cucharas se hacen con chapas de acero muy dulce que se revisten interiormente con una capa de mortero refractario y en las grandes, con una capa de ladrillos y mortero. Una vez hecho el revestimiento, es secado al aire, luego al fuego lento y de nuevo antes de la colada. 6.6. Cubilotes modernos con recuperación de calor ( Fig.27). Desde hace algunos años se ha procurado implantar la recuperación de calor en los cubilotes, calentando el aire de alimentación. Para ello, se usa un principio sumamente simple, aunque las instalaciones resultan bastante complejas.

Fig.27

1.-Ladrillos metálicos.

2.- Captación de gases combustibles.

3.- Caja de viento (aire precalentado).

4.- Toberas.

5.- Canal de colada con tabique separador de escorias.

6.- Conducto de aire caliente.

7.-Conducto de gases.

8.- Cámara de combustibles de gases 900°C.

9.- Cámara colectara de entrada 880° C.

10.- Cámara de salida 330° C.

11.- Chimenea productos de combustión.

12.- Aspirador de humos.

13.-Tubos de calefacción.

14.-15 y 16.-Cámara de circulación 650° C. 17.- Conducto aire frío. 18.- Tubo entrada adicional de aire a la cámara de combustión.

19. - Ventilador de paletas.

Consiste en captar los gases aproximadamente a 2/3 de altura del cubilote. En esa zona, son muy ricos en OC, por lo tanto se los conduce a una cámara de combustión, pasando luego estos productos de combustión bien calientes a dos cuerpos cilíndricos (recalentadores) pasando por numerosos tubos que los conducen, para salir luego de haber cedido gran parte del calor desarrollado, por una chimenea en cuyo conducto se ha intercalado un exhaustor. El aire es suministrado por un ventilador de volumen constante a paletas rotativo, penetra en los recalentadores y absorbe calor de los tubos a los cuales rodea, e impulsado por la presión que posee penetra ya caliente en la caja de viento.

33 6.7. Conducción del cubilote. La conducción de un cubilote comprende una serie de factores que deben tomarse en cuenta para obtener el resultado deseado. Estos factores son:

1) Preparación del horno, a la temperatura conveniente para iniciar su marcha. 2) Regular la cantidad de coque de encendido, necesaria para dicha iniciación de marcha. 3) Cálculo de las cargas, en cantidad, tanto de fundición como de coque y fundente, 4) Regular el peso de los elementos para, obtener la dosificación deseada. 5) Regular la cantidad de aire necesaria y su presión más conveniente.

6.7.1. Coque de encendido. La cantidad de coque de encendido debe ser determinada de tal modo que la primera carga metálica debe licuarse al llegar a la zona de más alta temperatura. Si, la altura es excesiva, se tiene un desperdicio de coque; si es insuficiente, la fundición sólo alcanza a licuarse cuando penetra al crisol, por lo tanto se obtiene fundición fría y hasta puede producirse la obstrucción del cubilote. Una altura conveniente es la de llegar con el coque de encendido 60 cm más alto que el borde superior de las toberas. Esta altura puede llevarse hasta 80 cm, si el coque es de baja calidad. 6.7.2. Peso de la carga de coque. El peso de las cargas de coque varía con el diámetro de los cubilotes y con la calidad usada de coque. Una regla sencilla es la siguiente: El peso de coque de cada carga, debe formar en el cubilote una capa de 16 cm de espesor o bien: 72kg/m3 de volumen de fusión. Una mayor altura de carga no es conveniente, por cuanto favorece la reducción de:

CO2 + C = 2 CO lo que empeora, el índice de marcha. La tabla siguiente da el peso medio que corresponde a una capa de 16 cm de coque, para distintos diámetros de cubilote.

Diámetro del cubilote

mm

Peso promedio en kg

de coque en capas de

16 cm de altura

500 14

600 20

700 27

800 36

900 46

1.000 56

6.7.3. Composición de cargas. Con respecto de la composición de las cargas no puede establecerse una regla fija, pues en cada caso es necesario atenerse a la clase y calidad de la fundición que se desea obtener. Por esto, es necesario conocer perfectamente la clase y composición del arrabio que se emplea, lo que no es una gran dificultad, puesto que dicha composición se suministra conjuntamente al material, pero no sucede así con la chatarra de fundición, que se usa a veces en forma preponderante y cuyo origen y composición es muy variable. La carga metálica es proporcional a la carga de coque. En efecto las cifras más aconsejadas para el coque es de: 7,2 a 8 % del peso de la fundición. - Cuando se desea obtener fundición a alta temperatura o muy caliente, se aconseja 10 % de coque. En cubilotes chicos con diámetro menor de 500 mm se alcanza hasta la proporción de 11%.

34 6.8. Hierro de primera fusión o arrabio. Uno de los elementos que componen la carga metálica, es el arrabio procedente de altos hornos. La forma comercial recibe el nombre de lingote cuya forma y tamaño es variada de acuerdo a la procedencia. Para cálculos correctos, es necesario conocer su composición analítica. Solamente así, es posible calcular la composición de las cargas metálicas para el cubilote. El arrabio nacional de Zapla, especial para cubilote tiene la siguiente composición química:

C total = 3,7 – 4,2 % Mn = 0,5 – 0,7 % Si = 2,2 – 2,3 % S = 0,03 % P = 1,0 – 1,5 %

6.8. Chatarra de fundición. La chatarra de fundición está compuesta por coladas, rebosaderos, los cuales son desperdicios inevitables en cualquier fundería y trozos de piezas de fundición rotas procedentes de los mismos talleres o adquiridos fuera de ellos. Estas últimas piezas chatarra de cualquier procedencia, debe ser por lo menos clasificada de acuerdo al tamaño de los cristales que muestra la fractura, para conocer en lo posible en forma aproximada, aunque sea por comparación, su composición media, sin lo cual no es posible ni calcular cargas ni asegurar una colada de fundición con una composición determinada. Por otra parte es necesario tener en cuenta la merma en la proporción de los distintos elementos: C, Si y Mn, lo que repetido varias veces da lugar a la fundición denominada "quemada", de escaso valor; así como también la influencia de la excesiva oxidación. 6.9. Chatarra de aceros dulces. La chatarra de aceros dulces, se agrega para obtener fundiciones de grano fino y, por lo tanto, fundiciones más duras. Como el acero tiene bajo porcentaje de carbono, el agregado de esta chatarra, decarbura la fundición. Se indica que pueden agregarse hasta un 30 % de este material, lo más prudente es mantenerse en un 10% o bien hacer un cálculo preciso de la composición de la carga metálica, para dosificar racionalmente. El agregado de chatarra de acero aumenta la resistencia mecánica de la fundición, al corte, a la flexión y al choque. Sin embargo esto también puede obtenerse con el agregado de otros elementos aleatorios. 6.10. Mermas y aumentos. Prácticamente se admite, para el cálculo de las mezclas destinadas a los cubilotes, lo siguiente: Merma del silicio .................................... 10 % “ del manganeso ............................. 15 % “ química de la fundición ................ 1,5 % Aumento del azufre ................................. 50 % Fósforo (invariable)…………………………0 %

35 6.11. Desperdicios. Es útil conocer que junto con las piezas, se produce una cierta cantidad de desperdicios, por las coladas, montantes, canales alimentadores, etc. Puede admitirse que por cada diferente tipo de piezas de fundición se tiene aparte la siguiente cantidad de desperdicios: Trabajos de fumistería, tubos, etc ....................... 47 % Maquinaria ........................................................... 27 % Tubos de aletas ................................................... 60 % Fundición artística y piezas chicas………………137 % Cilindros laminadores .......................................... .52 % Radiadores .......................................................... .37 % 6.12. Cálculo de la dosificación en la carga metáli ca El ejemplo siguiente muestra la, marcha del cálculo. Fundición a obtener: Si = 1,8 % Mn = 0,7 % S =, 0, 1 % Se dispone de dos variedades de arrabio, chatarra.,de fundición y desperdicios con la dosificación indicada:

Carga

Silicio Manganeso Fósforo Azufre

% kg % kg % kg % kg

300 kg Arrabio N°1

150 “ Arrabio N°2

300 kg Chat. Maq.

250 kg Desperdicios

2,25

2,50

1,85

1,90

6,75

3,75

5,55

4,75

0,85

0,80

0,70

0,70

2,55

1,20

2,10

1,75

0,90

1,50

0,80

0,85

2,70

2,25

2,40

2,12

0,04

0,04

0,11

0,10

0,12

0,06

0,33

0,25

1.000 kg contienen

Corresponde

20,8 7,6 9,47 0,76

2,08 0,76 0,95 0,076

Mermas

Aumentos

0,21 10 % 0,11 15% 0% 0,038 50%

Según cálculo 1,87 0,65 0,95 0,114

Resultado según análisis 1,80 % 0,64 % 0,94 % 0,12 %

7. PROCESOS DE FUNDICIÓN Y MOLDEO 7.1. INTRODUCCIÓN En el proceso de fundición el metal fundido fluye por gravedad u otra fuerza dentro de un molde donde se solidifica y toma la forma de la cavidad del molde. El término fundición se aplica también a la parte resultante de este proceso. Es uno de los más antiguos procesos de formado que se remonta 6 mil años atrás. El principio de la fundición es simple: se funde el metal, se vacía en un molde y se deja enfriar; hay todavía muchos factores y variables que debemos considerar para lograr una operación exitosa de fundición. La fundición incluye la fundición de lingotes y la fundición de formas. El término lingote se asocia usualmente con las industrias de metales primarios; describe una fundición grande de forma simple, diseñada para volver a formarse en procesos subsiguientes como laminado o forjado. La fundición deformas involucra la producción de piezas complejas que se aproximan más a la forma final deseada del producto. Este capítulo se ocupa de estas formas de fundición más que de los lingotes. Existen diversos métodos para la fundición de formas, lo cual hace de este proceso uno de los más versátiles en manufactura. Sus posibilidades y ventajas son las siguientes:

• La fundición se puede usar para crear partes de compleja geometría, incluyendo formas externas e internas.

• Algunos procesos de fundición pueden producir partes de forma neta que no requieren operaciones subsecuentes para llenar los requisitos de la geometría y dimensiones de la parte.

36 • Se puede usar la fundición para producir partes muy grandes. Se han fabricado fundiciones que pesan

más de 100 toneladas. • El proceso de fundición puede realizarse en cualquier metal que pueda calentarse y pasar al estado

líquido. • Algunos métodos de fundición son altamente adaptables a la producción en masa.

No obstante, también hay desventajas asociadas con la fundición y sus diferentes métodos. Éstas incluyen las limitaciones de algunos procesos en las propiedades mecánicas como porosidad, baja precisión dimensional y acabado deficiente de la superficie, también hay riesgos en la seguridad de los trabajadores durante el procesamiento y problemas ambientales. Las partes de fundición fluctúan en tamaño, desde pequeños componentes que pesan solamente unos cuantos gramos hasta grandes productos de más de 100 toneladas. La lista incluye coronas dentadas, joyería, estatuas, estufas de hierro fundido, bloques y cabezas para motores automotrices, bases para máquinas, ruedas para ferrocarril, sartenes para freír, tubos y carcasas para bombas. Se pueden fundir todas las variedades de metales ferrosos y no ferrosos. 7.1.1.- Procesos de fundición La revisión de este proceso empieza lógicamente con el molde. El molde contiene una cavidad cuya forma geométrica determina la forma de la parte a fundir. La cavidad debe diseñarse de forma y tamaño ligeramente sobredimensionado, esto permitirá la contracción del metal durante la solidificación y enfriamiento. Cada metal sufre diferente porcentaje de contracción, por lo tanto, si la precisión dimensional es crítica, la cavidad debe diseñarse para el metal particular que se va a fundir. Los moldes se hacen de varios materiales que incluyen arena, yeso, cerámica y metal. Los procesos de fundición se clasifican frecuentemente de acuerdo a los diferentes tipos de moldes. En una operación de fundición, se calienta primero el metal a una temperatura lo suficientemente alta para transformarlo completamente al estado líquido. Después se vierte directamente en la cavidad del molde. En un molde abierto, Fig.1(a), el metal líquido se vacía simplemente hasta llenar la cavidad abierta. En un molde cerrado, Fig.1(b), una vía de paso llamada sistema de vaciado que permite el flujo del metal fundido desde fuera del molde hasta la cavidad. El molde cerrado es la forma más importante de producción en operaciones de fundición.

FIGURA 1. Dos formas de molde: (a) molde abierto, simplemente un recipiente con la forma de la parte de fundición; y (b) molde cerrado, de forma más compleja que requiere un sistema de vaciado (vía de paso) conectado con la cavidad.

Tan pronto como el material fundido en el molde empieza a enfriarse, y conforme desciende la temperatura lo suficiente (al punto de congelación de un metal puro), empieza la solidificación que involucra un cambio de fase del metal. Se requiere tiempo para completar este cambio de fase, porque es necesario disipar una considerable cantidad de calor. Durante este proceso, el metal adopta la forma de la cavidad del molde y se establecen muchas de las propiedades y características de la fundición. Una vez que la fundición se ha enfriado lo suficiente, se remueve del molde. Pueden necesitarse procesamientos posteriores, dependiendo del método de fundición y del metal que se usa. Entre éstos se encuentran el desbaste del metal excedente de la fundición, la limpieza de la superficie, la inspección del producto y el tratamiento térmico para mejorar sus propiedades.

37 Además, puede requerirse maquinado para lograr tolerancias estrechas en ciertas partes de la pieza y para remover la superficie fundida y la micro estructura metalúrgica asociada. Los procesos de fundición se dividen en dos grandes categorías de acuerdo al tipo de molde que se usa:

1) fundición con molde desechable y 2) procesos de fundición con molde permanente.

En la fundición con molde desechable (o no permanente), el molde donde se solidifica el metal debe ser destruido para remover la fundición. Estos moldes se hacen de arena, yeso o materiales similares que mantienen su forma, usando aglomerantes de varias clases. La fundición en arena es el ejemplo más prominente de los procesos de molde consumible. En la fundición de arena se vacía metal líquido dentro del molde hecho de arena. Después de que el metal se endurece, se sacrifica el molde a fin de recuperar la fundición. Un molde permanente puede usarse muchas veces para producir fundiciones en cantidad. Está hecho de un metal, o algunas veces de un refractario cerámico, que puede soportar las altas temperaturas de las operaciones de fundición. En este caso, el molde permanente consta de dos o más secciones que pueden abrirse para permitir la remoción de la parte terminada. La fundición en dados es el proceso más conocido de este grupo. Las piezas de forma geométrica intrincada se producen generalmente mediante procesos de molde consumible. En el proceso de molde permanente, la forma de la pieza se limita por la necesidad de abrir el molde. Por otra parte, algunos procesos de molde permanente tienen ciertas ventajas económicas en operaciones de alta producción. 7.1.2.- Moldes para fundición en arena La fundición en arena es el proceso de fundición más importante. Para describir las características básicas del molde se usará un molde de fundición en arena. Muchas de estas características y términos se aplican también a los moldes de otros procesos de fundición. La Fig.1(b) muestra la vista de la sección transversal de un molde típico de fundición en arena, indicando. El molde consiste en dos mitades: la semicaja superior y la semicaja inferior. Ambas forman la caja del molde, que se divide en dos partes: una para cada parte del molde; las dos mitades del molde están separadas por el plano de separación. En la fundición de arena (y otros procesos de molde desechable) la cavidad del molde se forma mediante un modelo de madera, metal, plástico u otro material, que tiene la forma de la parte que será fundida. La cavidad se forma al recubrir el modelo de ambas cajas con arena en partes iguales, de manera que al remover el modelo quede un vacío que tenga la forma deseada de la parte de fundición. El modelo se sobredimensiona generalmente para permitir la contracción del metal cuando éste se solidifica y enfría. La arena húmeda del molde contiene un aglomerante para mantener su forma. La cavidad del molde proporciona las superficies externas de la fundición; pero además puede tener superficies internas, que se definen por medio de un noyo, el cual es una forma colocada en el interior de la cavidad del molde para formar la geometría interior de la pieza. En la fundición en arena, los noyos se hacen generalmente de arena, aunque pueden usarse otros materiales como metales, yeso y cerámicas. El sistema de vaciado en un molde de fundición es el canal o red de canales por donde fluye el metal fundido hacia la cavidad desde el exterior del molde. El sistema de vaciado, como se muestra en la figura, consiste típicamente en un bebedero de colada (también llamado simplemente bebedero) a través del cual entra el metal a un canal de alimentación que conduce a la cavidad principal. En la parte superior del bebedero existe frecuentemente una copa de vaciado para minimizar las salpicaduras y la turbulencia del metal que fluye en el bebedero. En el diagrama aparece como un simple embudo en forma de cono. Algunas copas de vaciado se diseñan en forma de tazón con un canal abierto que conduce al bebedero de colada. En cualquier fundición cuya contracción sea significativa se requiere, además del sistema de vaciado, una mazarota conectada a la cavidad principal. La mazarota es una reserva en el molde que sirve como fuente de metal líquido para compensar la contracción de la fundición durante la solidificación. A fin de que la mazarota cumpla adecuadamente con su función, debe diseñarse de tal forma que solidifique después de la fundición principal.

38 A medida que el metal fluye dentro del molde, tanto el aire que ocupaba previamente la cavidad como los gases calientes formados por la reacción del metal fundido deben evacuarse para que el metal llene completamente el espacio vacío. En la fundición en arena, la porosidad natural del molde de arena permite que el aire y los gases escapen a través de las paredes de la cavidad. En los moldes permanentes se taladran pequeños agujeros de ventilación dentro del molde o se maquinan en el plano de separación para permitir la salida del aire y los gases. 7.2.- CALENTAMIENTO Y VACIADO Para desarrollar la operación de fundición, el metal se calienta a temperatura ligeramente mayor que su punto de fusión y después se vacía en la cavidad del molde para que solidifique. En esta sección consideramos varios aspectos de estos dos pasos de la fundición. 7.2.1.- Calentamiento del metal Se usan varias clases de hornos para calentar el metal a la temperatura necesaria de fusión. La energía calorífica requerida es la suma de:

1) calor para elevar la temperatura hasta el punto de fusión, 2) calor de fusión para convertir el metal de sólido a líquido y 3) calor para elevar al metal fundido a la temperatura de vaciado.

7.2.2.- Vaciado del metal fundido Después del calentamiento, el material está listo para vaciarse. La introducción del metal fundido en el molde y su flujo dentro del sistema de vaciado y de la cavidad es un paso crítico en el proceso. Para que este paso tenga éxito, el metal debe fluir antes de solidificarse a través de todas las regiones del molde, incluida la región más importante que es la cavidad principal. Los factores que afectan la operación de vaciado son:

• la temperatura de vaciado, • la velocidad de vaciado y • la turbulencia.

La temperatura de vaciado es la temperatura del metal fundido al momento de su introducción en el molde. Lo importante aquí es la diferencia entre la temperatura de vaciado y la temperatura a la que empieza la solidificación (el punto de fusión para un metal puro, o la temperatura liquidus para una aleación). A esta diferencia de temperaturas se le llama algunas veces sobrecalentamiento. El término se usa también para la cantidad de calor que debe removerse del metal fundido entre el vaciado y el inicio de la solidificación. La velocidad de vaciado se refiere a la velocidad volumétrica a la que se vierte el metal fundido dentro del molde. Si la velocidad es muy lenta, el metal puede enfriarse antes de llenar la cavidad. Si la velocidad de vaciado es excesiva, la turbulencia puede convertirse en un problema serio. La turbulencia de flujo se caracteriza por variaciones erráticas de la velocidad a través del fluido; cuando éste se agita, genera corrientes irregulares en lugar de fluir en forma laminar. El flujo turbulento debe evitarse durante el vaciado por varias razones. Tiende a acelerar la formación de óxidos metálicos que pueden quedar atrapados durante la solidificación, degradando así la calidad de la fundición. La turbulencia también agrava la erosión del molde, que es el desgaste gradual de las superficies del molde debido al impacto del flujo de metal fundido. Las densidades de la mayoría de los metales fundidos son más altas que las del agua y de otros fluidos que conocemos normalmente. Los metales fundidos son químicamente mucho más reactivos que a temperatura ambiente. Por consiguiente, el desgaste causado por el flujo de estos metales en el molde es significativo, especialmente bajo condiciones turbulentas. La erosión es especialmente seria cuando ocurre en la cavidad principal porque afecta la forma de la parte fundida. 7.3.- SOLIDIFICACIÓN Y ENFRIAMIENTO Después de vaciar el metal fundido en el molde, éste se enfría y solidifica. Examinaremos los mecanismos físicos de solidificación que ocurren durante la fundición. Los aspectos asociados con la solidificación incluyen:

39

• el tiempo de enfriamiento del metal, • la contracción, • la solidificación direccional y • el diseño de las mazarotas.

7.3.1.- Solidificación de los metales La solidificación involucra el regreso del metal fundido al estado sólido. El proceso de solidificación difiere, dependiendo de si el metal es un elemento puro o una aleación. Metales puros: Un metal puro solidifica a una temperatura constante que constituye su punto de congelación o punto de fusión. Los puntos de fusión de los metales puros son bien conocidos y están documentados. El proceso ocurre en un tiempo determinado como se muestra en la gráfica de la figura 3, conocida como curva de enfriamiento. La solidificación real toma un tiempo llamado, tiempo local de solidificación, durante el cual el calor latente de fusión del metal escapa fuera del molde.

FIGURA 3 Curva de enfriamiento para un metal puro durante la fundición. El tiempo total de solidificación va desde el momento de vaciar el metal hasta su completa solidificación. Después que la fundición se ha solidificado completamente, el enfriamiento continúa a una velocidad indicada por la pendiente hacia abajo de la curva de enfriamiento. Debido a la acción refrigerante de la pared del molde, se forma una delgada película inicial de metal sólido en la pared inmediatamente después del vaciado. El espesor de esta película aumenta para formar una costra alrededor del metal fundido que va creciendo hacia el centro de la cavidad conforme progresa la solidificación. La velocidad del enfriamiento depende del calor que se transfiere en el molde y de las propiedades térmicas del metal. Es interesante examinar la formación del grano metálico y su crecimiento durante este proceso de solidificación. El metal que forma la película inicial se ha enfriado rápidamente por la extracción de calor a través de la pared del molde. Esta acción de enfriamiento causa que los granos de la película sean finos, equiaxiales y orientados aleatoriamente. Al continuar el enfriamiento se forman más granos y el crecimiento ocurre en direcciones alejadas de la transferencia de calor. Como el calor se transfiere a través de la costra y la pared del molde, los granos crecen hacia adentro como agujas o espinas de metal sólido. Al agrandarse estas espinas, se forman ramas laterales que siguen creciendo y forman ramas adicionales en ángulos rectos con las primeras. Este tipo de crecimiento llamado crecimiento dendrítico del grano ocurre no solamente en la solidificación de los metales puros, sino también en la de las aleaciones. Estas estructuras tipo árbol se llevan a cabo en forma gradual durante el enfriamiento, al depositarse continuamente metal adicional en las dendritas hasta completar la solidificación.

40 Los granos resultantes de este crecimiento dendrítico adoptan una orientación preferente y tienden a ser burdos y alinearse en forma de granos columnares hacia el centro de la fundición. La estructura granular resultante se ilustra en la figura 4.

FIGURA 4. Estructura cristalina característica de un metal puro, mostrando los granos pequeños orientados aleatoriamente cerca de las paredes del molde, y los granos columnares grandes orientados hacia el centro de la fundición.

Aleaciones en general. Las aleaciones solidifican generalmente en un intervalo de temperaturas en lugar de una temperatura única. El rango exacto depende del sistema de aleación y de su composición particular. Se puede explicar la solidificación de una aleación con referencia a la figura 5, que muestra el diagrama de fase de un sistema particular de aleación y a la curva de enfriamiento para una composición dada.

FIGURA.5: (a) diagrama de fase para un sistema de aleación cobre-níquel y (b) curva de enfriamiento asociada para una composición Ni-Cu 50-50% durante la fundición.

Conforme desciende la temperatura, empieza la solidificación en la temperatura que indica la línea liquidus y se completa cuando se alcanza la solidus. El inicio de la solidificación es similar a la del metal puro. Se forma una delgada película en la pared del molde debido a un alto gradiente de temperatura en esta superficie. La solidificación progresa entonces igual que antes, mediante la formación de dendritas alejadas de las paredes. Sin embargo, debido a la propagación de la temperatura entre liquidus y solidus, el crecimiento de las dendritas es tal que se forma una zona avanzada donde el metal sólido y el líquido coexisten. La porción sólida está constituida por estructuras dendríticas que se han formado lo suficiente y han atrapado en la matriz pequeñas islas de líquido. La región sólido-líquido tiene una consistencia suave que da lugar a su nombre de zona blanda. Dependiendo de las condiciones del enfriamiento, la zona blanda puede ser relativamente angosta o puede ocupar la mayor parte de la fundición. Los factores que promueven la última condición son una lenta transferencia de calor fuera del metal caliente y una amplia diferencia entre liquidus y solidus. Las islas de líquido en la matriz de dendrita se solidifican gradualmente al bajar la temperatura de la fundición hasta la temperatura solidus que corresponde a la composición de la aleación. Otro factor que complica la solidificación de las aleaciones es la composición de las dendritas que al iniciar su formación son favorecidas por el metal que tiene el punto de fusión mayor. Al continuar la solidificación las dendritas crecen y se genera un desbalance entre la composición del metal solidificado y el metal fundido remanente. Este desbalance de composición se manifiesta finalmente como segregación de elementos en las fundiciones terminadas. La segregación es de dos tipos, microscópica y macroscópica. A nivel microscópico, la composición química varía a través de cada grano individual. Esto se debe a que la espina inicial de cada dendrita tiene una proporción más alta de uno de los elementos de la aleación.

41 La dendrita crece a expensas del líquido remanente que ha sido parcialmente agotado de este primer elemento. Finalmente, el último metal que solidifica en cada grano es el que quedó atrapado en las ramas de las dendritas, cuya composición es aún más desbalanceada. El resultado es una variación en composición química dentro de cada grano de la fundición.

FIGURA 6. Estructura cristalina característica de fundición para una aleación, mostrando la segregación de los componentes en el centro de la fundición.

A nivel macroscópico, la composición química varía a través de la fundición en sí. Como las regiones de la fundición que se solidificaron primero (generalmente cerca de las paredes del molde) son más ricas en un componente que en otro, la composición de la aleación fundida remanente queda modificada cuando ocurre la solidificación en el interior. Se genera entonces, una segregación general a través de la sección transversal de la fundición, llamada algunas veces segregación de lingote, como se ilustra en la figura 6. Aleaciones eutécticas Las aleaciones eutécticas constituyen una excepción del proceso general de solidificación de las aleaciones. Una aleación eutéctica tiene una composición particular en la cual las temperaturas solidus y liquidus son iguales. En consecuencia, la solidificación ocurre a una temperatura constante, y no en un rango de temperaturas como se describió anteriormente. El efecto se puede observar en el diagrama de fase del sistema plomo-estaño que se muestra en la figura 3. El plomo puro tiene un punto de fusión de 327°C, mient ras que el estaño puro funde a 232°C. Aunque la may oría de las aleaciones plomo-estaño exhiben el rango típico de temperaturas solidus-liquidus, la composición particular de 61,9% estaño y 38,1% plomo tiene un punto de fusión de 183°C. Esto se denomina composición eutéctica del sistema de aleación plomo-estaño, y 183°C es la temperatura eutéctica. Las aleaciones plomo-estaño no se usan comúnmente en fundición; las composiciones de Pb-Sn cercanas al punto eutéctico se usan para soldadura blanda eléctrica, donde el bajo punto de fusión es una ventaja. El aluminio-silicio (11,6% Si) y el hierro fundido (4,3% C) son ejemplos de aleaciones eutécticas que se usan en fundición. 7.3.2.- Tiempo de solidificación Si la fundición es metal puro o aleación, de todos modos, su solidificación toma tiempo. El tiempo total de solidificación (TST) es el tiempo necesario para que la fundición solidifique después del vaciado. Este tiempo depende del tamaño y de la forma de la fundición expresada por una relación empírica conocida como regla de Chvorinov. La regla de Chvorinov indica que una fundición con una relación de volumen a área superficial se enfriará y solidificará más lentamente que otra con una relación más baja. Este principio ayuda en el diseño de la mazarota del molde. Para cumplir su función de alimentar metal fundido a la cavidad principal, el metal en la mazarota debe permanecer en fase líquida más tiempo que el de la fundición.

TTS = Cm (V/A)2 (Hay tablas de Cm) En otras palabras, la TST para la mazarota debe exceder la TST de la fundición principal. Como la condición del molde para la mazarota y la fundición es la misma, las constantes del molde serán iguales. Si el diseño de la mazarota incluye una relación de volumen a área más grande, podemos estar más o menos seguros de que la fundición principal solidificará primero y se reducirán los efectos de la contracción. Antes de considerar el diseño de la mazarota mediante la regla de Chvorinov tomemos en cuenta el tema de la contracción, razón por la cual se necesitan las mazarotas. 7.3.3.- Contracción Nuestro análisis de la solidificación ha omitido el impacto de la contracción que ocurre durante el enfriamiento y la solidificación. La contracción ocurre en tres pasos:

42

1) contracción líquida durante el enfriamiento anterior a la solidificación; 2) contracción durante el cambio de fase de líquido a sólido, llamada contracción de solidificación, y 3) contracción térmica de la fundición solidificada durante el enfriamiento hasta la temperatura ambiente.

Los tres pasos pueden explicarse con referencia a una fundición cilíndrica hipotética hecha en un molde abierto, como se muestra en la figura 7. El metal fundido inmediatamente después de vaciado se muestra en la parte (0) de la serie. La contracción del metal líquido durante el enfriamiento, desde la temperatura de vaciado hasta la temperatura de solidificación, causa que la altura del líquido se reduzca desde el nivel inicial como en (1) de la figura. La cantidad de esta concentración líquida es generalmente alrededor del 0,5%. La contracción de solidificación que se observa en la parte (2) tiene dos efectos. Primero, la contracción causa una reducción posterior en la altura de la fundición. Segundo, la cantidad de metal líquido disponible para alimentar la porción superior del centro de la fundición se restringe. Ésta es usualmente la última región en solidificar; la ausencia de metal crea un vacío en este lugar de la fundición. Esta cavidad de encogimiento es llamada por los fundadores rechupe. Una vez solidificada, la fundición experimenta una contracción posterior en altura y diámetro mientras se enfría, como en (3). Esta contracción se determina por el coeficiente de expansión térmica del metal sólido, que en este caso se aplica a la inversa para determinar la contracción. FIGURA 7 Contracción de una fundición cilíndrica durante la solidificación y enfriamiento: (0) niveles iniciales del metal fundido inmediatamente

después del vaciado; (1) reducción del nivel causada por la contracción del líquido durante el enfriamiento; (2) reducción de la altura y formación de la bolsa de contracción causada por la contracción por solidificación; y (3) reducción posterior de la altura y diámetro debida a la

contracción térmica durante el enfriado del metal sólido. Las reducciones dimensionales están exageradas para mayor claridad. La tabla 1 presenta algunos valores típicos de la contracción volumétrica para diferentes metales de fundición debidos a la contracción por solidificación y a la contracción sólida, pasos (2) y (3).

43 La contracción por solidificación ocurre casi en todos los metales porque la fase sólida tiene una mayor densidad que la fase líquida. La transformación de fase que acompaña la solidificación causa una reducción en el volumen por unidad de peso del metal. La excepción en la tabla 1 es el hierro fundido con un contenido alto de carbono, cuya solidificación se complica por un periodo de grafitación durante las etapas finales de enfriamiento, que provoca una expansión tendiente a contrarrestar el decrecimiento volumétrico asociado con el cambio de fase.

Metal

Contracción volumétrica debida a:

Contracción por solidificación %

Contracción térmica del sólido %

Aluminio Aleación de aluminio (típica) Fundición de hierro gris Fundición de hierro gris al alto carbono Fundición de acero al bajo carbono Cobre Bronce (Cu-Sn)

7.0 7.0 1.8 0

3.0 4.5 5.5

5.6 5.0 3.0 3.0 7.2 7.5 6.0

TABLA 1.- Contracción volumétrica para diferentes metales de fundición debida a la contracción por solidificación y contracción del sólido.

Los modelistas toman en cuenta la contracción por solidificación para sobredimensionar las cavidades de los moldes. La cantidad que hay que aumentar a las dimensiones del molde con respecto al tamaño de la pieza final se llama tolerancia de contracción del modelo. Aunque la contracción es volumétrica, las dimensiones de la fundición se expresan linealmente. Para hacer los modelos y los moldes más grandes que la pieza, se usan reglas especiales de contracción que consideran una ligera elongación en proporción adecuada 7.3.4.- Solidificación direccional Para minimizar los efectos dañinos de la contracción es conveniente que las regiones de la fundición más distantes de la fuente de metal líquido se solidifiquen primero y que la solidificación progrese de estas regiones hacia la mazarota. En esta forma, el metal fundido continuará disponible en las mazarotas para prevenir los vacíos de contracción durante la solidificación. Se usa el término solidificación direccional para describir este aspecto del proceso de solidificación y sus métodos de control. La solidificación direccional deseada se logra aplicando la regla de Chvorinov al diseño de la fundición, a su orientación dentro del molde y al diseño del sistema de mazarotas. Por ejemplo, al localizar las secciones de la fundición con menores relaciones V/A lejos de las mazarotas la solidificación aparecerá primero en estas regiones y el suministro de metal líquido para el resto de la fundición permanecerá abierto hasta que solidifiquen las secciones más voluminosas.

FIGURA 8 (a) Enfriadores externos para alentar la solidificación rápida del metal fundido en una zona delgada de la fundición y (b) resultado probable si no se usan los enfriadores.

Otra forma de fomentar la solidificación direccional es usar enfriadores, sumideros de calor internos o externos que causan un enfriamiento rápido en ciertas regiones de la fundición. Los enfriadores internos son pequeñas partes de metal colocadas dentro de la cavidad antes del vaciado, cuyo objetivo es que el metal fundido solidifique primero alrededor de estas partes. El refrigerante interno debe tener una composición química igual a la del metal que se vacía. Esto se logra fabricando el enfriador del mismo metal que la fundición.

44 Los enfriadores externos son insertos metálicos en las paredes de la cavidad del molde que remueven el calor del metal fundido más rápidamente que la arena circundante, a fin de promover la solidificación. Se usan a menudo en secciones de la fundición que son difíciles de alimentar con metal líquido, el cual encuentra así un enfriamiento rápido que lo hace solidificar en estas secciones mientras la conexión con el metal líquido está todavía abierta. La figura 8 ilustra una posible aplicación de refrigerantes externos y el resultado probable si no se usaran. Tan importante como iniciar la solidificación en las regiones apropiadas de la cavidad, es evitar la solidificación prematura en las secciones del molde cercanas a la mazarota. De particular interés es la vía de paso entre la mazarota y la cavidad principal. Esta conexión debe diseñarse de manera que no se solidifique antes de la fundición, porque puede aislar el metal fundido en la mazarota. Aunque generalmente es deseable minimizar el volumen en la conexión (para reducir el desperdicio), la sección transversal del área debe ser adecuada para retardar la solidificación prematura. Con este objeto se hace el pasaje de corta longitud para que reciba calor del metal fundido en la mazarota y en la fundición. 7.3.5.- Diseño de la mazarota Tal como se describió antes, una mazarota se usa en un molde de fundición en arena para alimentar metal líquido al proceso durante el enfriamiento y compensar así la contracción por solidificación. La mazarota debe permanecer fundida hasta después de que la fundición solidifique. Para satisfacer este requerimiento se puede calcular el tamaño de la mazarota usando la regla de Chvorinov. La mazarota representa el metal de desperdicio que se separa del proceso y se refunde para hacer fundiciones subsecuentes. Es deseable que este volumen de metal en la mazarota sea el mínimo. Como la forma geométrico de la mazarota se selecciona normalmente para maximizar V/A, esto tiende a reducir el volumen de la mazarota lo más posible. La mazarota se puede diseñar en diferentes formas. Las mazarotas pueden ser abiertas o sumergidas. Una mazarota abierta está expuesta al exterior en la superficie superior de la tapa, pero tiene la desventaja de permitir que escape más calor, promoviendo una solidificación más rápida. Una mazarota sumergida está completamente encerrada dentro del molde como en la figura 1(b). 7.4.- PROCESOS DE FUNDICION DE METALES Los procesos de fundición de metal se dividen en dos categorías de acuerdo al tipo de molde:

1) moldes desechables y 2) moldes permanentes.

En las operaciones de fundición con molde desechable, éste se destruye para remover la parte fundida. Como se requiere un nuevo molde por cada nueva fundición, las velocidades de producción en procesos de molde desechable son limitadas, más a causa del tiempo que se requiere para hacer el molde, que al tiempo para hacer la fundición. Sin embargo, para ciertas partes se pueden producir moldes y fundiciones a velocidades de 400 partes por hora o mayores. En los procesos de moldeo permanente, el molde se fabrica con metal (u otro material durable) que permite usarlos en repetidas operaciones de fundición. En consecuencia, estos procesos tienen una ventaja natural para mayores velocidades de producción. Nuestro análisis de los procesos de fundición en este capítulo se organiza como sigue:

1) fundición en arena, 2) procesos alternativos de fundición en moldes desechables y 3) procesos de fundición en molde permanente.

El capítulo incluye también equipos de fundición y prácticas en los talleres de fundición. Y los lineamientos para el diseño de productos se presentarán en la última sección del capítulo.

45 7.4.1.- FUNDICIÓN EN ARENA La fundición en arena es el proceso más utilizado, la producción por medio de este método representa la mayor parte del tonelaje total de fundición. Casi todas las aleaciones pueden fundirse en arena; de hecho, es uno de los pocos procesos que pueden usarse para metales con altas temperaturas de fusión, como son el acero, el níquel y el titanio. Su versatilidad permite fundir partes muy pequeñas o de grandes dimensiones, y en cantidades de producción que van de una pieza a millones de éstas. La fundición en arena consiste en vaciar un metal fundido en un molde de arena, dejarlo solidificar y romper después el molde para remover la fundición. Posteriormente la fundición pasa por un proceso de limpieza e inspección, pero en ocasiones requiere un tratamiento térmico para mejorar sus propiedades metalúrgicas. Se da forma a la cavidad del molde de arena recubriendo con arena un modelo o patrón (un duplicado aproximado de la parte que se va a fundir), después se remueve el modelo para separar el molde en dos mitades. El molde contiene el sistema de vaciado y de mazarota, pero si la fundición tiene superficies internas (por ejemplo partes huecas o agujeros) debe incluirse también un noyo (o noyo). Como el molde se sacrifica para remover la fundición, se tiene que hacer un nuevo molde de arena por cada parte a producir. En esta breve descripción se puede observar que la fundición en arena no solamente incluye operaciones de fundición, sino también la fabricación de modelos y manufactura de moldes. La secuencia se muestra en la Fig. 2. En las siguientes secciones centraremos nuestro análisis en los modelos, los noyos, los moldes y la hechura de moldes, así como en las operaciones de fundición, limpieza e inspección.

FIGURA .2: Pasos en la secuencia de producción de la fundición en arena. Los pasos incluyen no solamente las operaciones de fundición, sino también la manufactura del modelo y del molde.

7.4.1.1.- Modelos y noyos La fundición en arena requiere un patrón o modelo al tamaño natural de la parte, ligeramente agrandado, tomando en consideración la contracción y las tolerancias para el maquinado de la fundición final. Los materiales que se usan para hacer estos modelos incluyen la madera, los plásticos y los metales. La madera es un material común para modelos, por la facilidad de trabajarla y darle forma. Sus desventajas son la tendencia a la torsión y al desgaste por la abrasión de la arena que se compacta a su alrededor, lo cual limita el número de veces que puede usarse. Los modelos de metal son más costosos pero duran más. Los plásticos representan un término medio entre la madera y los metales. La selección del material apropiado para patrones o modelos depende en gran parte de la cantidad total de fundiciones a producir. Hay varios tipos de modelos, como se ilustra en la Fig.3. El más simple está hecho de una pieza, llamado modelo sólido, que tiene la misma forma de la fundición y los ajustes en tamaño por contracción y maquinado. Su manufactura es fácil, pero la complicación surge cuando se utiliza para hacer el molde de arena. Determinar la localización del plano de separación entre las dos mitades del molde e incorporar el sistema de vaciado y el vertedero de colada para un modelo sólido, puede ser un problema que se dejará al juicio y habilidad del operario del taller de fundición. Por lo tanto, los modelos sólidos se usan solamente en producciones de muy baja cantidad.

46 Los modelos divididos constan de dos piezas que separan la pieza a lo largo de un plano, éste coincide con el plano de separación del molde. Los modelos divididos son apropiados para partes de forma compleja y cantidades moderadas de producción. El plano de separación del molde queda predeterminado por las dos mitades del molde, más que por el juicio del operador. Para altos volúmenes de producción se emplean los modelos con placa de acoplamiento o los modelos de doble placa (superior e inferior). En un modelo con placa de acoplamiento, las dos piezas del modelo dividido se adhieren a los lados opuestos de una placa de madera o metal. Los agujeros de la placa permiten una alineación precisa entre la parte superior y el fondo del molde. Los modelos con doble placa de acoplamiento son similares a los patrones con una placa, excepto que las mitades del patrón dividido se pegan a placas separadas, de manera que las secciones de la parte superior e inferior del molde se puedan fabricar independientemente, en lugar de usar la misma herramienta para ambas. La parte (d) de la Fig.3 incluye el sistema de vaciado y de mazarota en los modelos con placa de acoplamiento doble.

FIGURA .3: Tipos de patrones utilizados en la fundición en arena: a) modelo sólido, b) modelo dividido, c) modelo con placa de acoplamiento y d) modelo de doble placa superior e inferior.

Los patrones definen la forma externa de la fundición. Si posee superficies internas, se necesita un noyo para definirlas. Un noyo es un modelo de tamaño natural de las superficies interiores de la parte. El noyo se inserta en la cavidad del molde antes del vaciado, para que al fluir el metal fundido, solidifique entre la cavidad del molde y el noyo, formando así las superficies externas e internas de la fundición. El noyo se hace generalmente de arena compactada. El tamaño real del noyo debe incluir las tolerancias para contracción y maquinado lo mismo que el patrón. El noyo, dependiendo de la forma, puede o no requerir soportes que lo mantengan en posición en la cavidad del molde durante el vaciado. Estos soportes, llamados sujetadores, se hacen de un metal cuya temperatura de fusión sea mayor que la de la pieza a fundir. Por ejemplo, para fundiciones de hierro colado se usan sujetadores de acero. Los sujetadores quedan atrapados en la fundición durante el vaciado y la solidificación. En la Fig.4 se muestra un posible arreglo del noyo usando sujetadores. La porción de los sujetadores que sobresalen de la fundición se recortan después. 7.4.1.2.- Moldes y fabricación de moldes La arena de fundición es silice (SiO2) o sílice mezclada con otros minerales. Esta arena debe tener buenas propiedades refractarias, expresadas como la capacidad de resistir altas temperaturas sin fundirse o degradarse. Otras características importantes son: el tamaño del grano, la distribución de tamaños del grano en la mezcla y la forma de los granos. Los granos pequeños proporcionan mejor acabado superficial en la fundición, pero los granos grandes son más permeables, para que los gases escapen durante el vaciado. Los moldes hechos de granos irregulares tienden a ser más fuertes que los moldes de granos redondos debido al entrelazado de los granos, pero esto tiende a restringir la permeabilidad. En la fabricación del molde, los granos de arena se aglutinan por medio de una mezcla de agua y arcilla. La proporción típica (en volumen) es 90% de arena, 3% de agua y 7% de arcilla. Se pueden usar otros agentes aglutinantes en lugar de la arcilla, como resinas orgánicas (por ejemplo, resinas fenólicas) y aglutinantes inorgánicos (por ejemplo, silicato y fosfato de sodio).

47 Algunas veces se añaden a la mezcla de arena y aglutinante ciertos aditivos para mejorar propiedades como la resistencia y permeabilidad del molde.

FIGURA .4: (a) Noyo mantenido en su lugar dentro de la cavidad del molde por los sujetadores, (b) diseño posible del sujetador y (c) fundición con cavidad interna.

En el método tradicional para formar la cavidad del molde se compacta la arena de moldeo alrededor del modelo en la parte superior e inferior de un recipiente llamado caja de moldeo. El proceso de empaque se realiza por varios métodos. El más simple es el apisonado a mano realizado manualmente por un operario. Además, se han desarrollado varias máquinas para mecanizar el procedimiento de empacado, las cuales operan por medio de los siguientes mecanismos:

1) compactación de la arena alrededor del patrón o modelo mediante presión neumática; 2) acción de sacudimiento, dejando caer repetidamente la arena contenida en la caja junto al modelo, a fin de

compactarla en su lugar; y 3) lanzamiento, haciendo que los granos de arena se impacten contra el patrón a alta velocidad.

Una alternativa de las cajas tradicionales de moldes de arena es el moldeo sin caja, que consiste en el uso de una caja maestra en un sistema mecanizado de producción de moldes. Cada molde de arena se produce usando la misma caja maestra. Se estima que la producción por este método automatizado puede ascender hasta seiscientos moldes por hora. Se usan varios indicadores para determinar la calidad de la arena para el molde:

1) resistencia, capacidad del molde para mantener su forma y soportar la erosión causada por el flujo del metal líquido, depende del tamaño del grano, las cualidades adhesivas del aglutinante y otros factores;

2) permeabilidad, capacidad del molde para permitir que el aire caliente y los gases de fundición pasen a través de los poros de la arena;

3) estabilidad térmica, capacidad de la arena en la superficie de la cavidad del molde para resistir el agrietamiento y encorvamiento en contacto con el metal fundido;

4) retractibilidad, capacidad del molde para dejar que la fundición se contraiga sin agrietarse; también se refiere a la capacidad de remover la arena de la fundición durante su limpieza; y

5) reutilización, ¿puede reciclarse la arena del molde roto para hacer otros moldes? Estas medidas son algunas veces incompatibles, por ejemplo, un molde con una gran resistencia tiene menos capacidad de contracción. Los moldes de arena se clasifican frecuentemente como arena verde, arena seca o de capa seca. Los moldes de arena verde se hacen de una mezcla de arena, arcilla y agua, el término "verde" se refiere al hecho de que el molde contiene humedad al momento del vaciado. Los moldes de arena verde tienen suficiente resistencia en la mayoría de sus aplicaciones, así como buena retractibilidad, permeabilidad y reutilización, también son los menos costosos. Por consiguiente, son los más ampliamente usados, aunque también tienen sus desventajas. La humedad en la arena puede causar defectos en algunas fundiciones, dependiendo del metal y de la forma geométrico de la pieza. Un molde de arena seca se fabrica con aglomerantes orgánicos en lugar de arcilla. El molde se cuece en una estufa grande a temperaturas que fluctúan entre 200°C y 320°C. El cocido en estufa refuerza el molde y endurece la superficie de la cavidad. El molde de arena seca proporciona un mejor control dimensional en la fundición que los moldes de arena verde.

48 Sin embargo, el molde de arena seca es más costoso y la velocidad de producción es reducida debido al tiempo de secado. Sus aplicaciones se limitan generalmente a fundiciones de tamaño medio y grande y en velocidades de producción bajas. En los moldes de capa seca, la superficie de la cavidad de un molde de arena verde se seca a una profundidad entre 1,3 y 2,5 cm, usando sopletes, lámparas de calentamiento u otros medios, aprovechando parcialmente las ventajas del molde de arena seca. Se pueden añadir materiales adhesivos especiales a la mezcla de arena para reforzar la superficie de la cavidad. La clasificación precedente de moldes se refiere al uso de aglutinantes convencionales, ya sea agua, arcilla u otros que requieren del calentamiento para curar. Se han desarrollado también moldes aglutinados, químicamente diferentes de cualquiera de los aglutinantes tradicionales. Algunos de estos materiales aglutinantes, utilizados en sistemas que no requieren cocimiento, incluyen las resinas furánicas (que consisten en alcohol furfural, urea y formaldehído), las fenólicas y los aceites alquídicos. La popularidad de los moldes que no requieren cocimiento está creciendo debido a su buen control dimensional en aplicaciones de alta producción. 7.4.1.3.- El proceso de fundición Después de que se posiciona el noyo (si es el caso) y las dos mitades del molde se cierran, se ejecuta la fundición. Ésta consiste en vaciar, solidificar y dejar enfriar la pieza de fundición. El sistema de vaciado y la mazarota del molde se deben diseñar para que alimenten metal líquido a la cavidad y mantengan una reserva suficiente de metal fundido durante la solidificación y contracción. El aire y los gases deben dejarse escapar. Un riesgo durante el vaciado es que la fuerza de flotación del metal fundido pueda mover al noyo de su lugar. La fuerza de flotación es una resultante del peso del metal fundido que es desplazado por el noyo de acuerdo con el principio de Arquímedes. La fuerza que tiende a levantar el noyo es igual al peso del líquido desplazado menos el peso del noyo mismo. Esto se puede expresar mediante la siguiente ecuación:

F = Wm - Wn Donde F = fuerza de flotación; Wm = peso del metal fundido desplazado; y Wn = peso del noyo. Los pesos se determinan al multiplicar el volumen del noyo por las densidades respectivas del material del noyo (típicamente arena) y del metal que se funde. La densidad de un noyo de arena es aproximadamente 1,6 g/cm3. Las densidades de varias aleaciones comunes en fundición se dan en la tabla 1.

Material Densidad (g/cm3)

Aluminio (99% puro) Aleación aluminio - silicio Aleación aluminio-cobre (92% Al) Latón Fundición de hierro gris Cobre (99% puro) Plomo (puro) Acero

2,70 2,65 2,81 8,62 7,16 8,73

11,30 7,82

TABLA 1.- Densidades de aleaciones seleccionadas para fundición

Al continuar con la solidificación y el enfriamiento, el molde de arena se rompe para recuperar la parte de fundición. Ésta se enfría, el sistema de vaciado y mazarota se separan, y la arena se remueve. Finalmente se inspecciona la fundición. 7.4.2.- PROCESOS ALTERNATIVOS DE FUNDICIÓN EN MOLDE S DESECHABLES Existen otros procesos de fundición que son tan versátiles como los procesos de fundición en arena y que han sido desarrollados para cumplir necesidades especiales. La diferencia entre estos métodos radica en la composición del material del molde, en el método de fabricación del molde o en la forma como se hace el patrón.

49 7.4.2.1.- Moldeo en shell El moldeo en shell es un proceso de fundición en el cual el molde es una cáscara delgada (típicamente de 10 mm) hecho de arena aglutinada con una resina termo fija. Se desarrolló en Alemania durante los años 40, el proceso se describe e ilustra en la Fig. 5. FIGURA 5: Pasos en el moldeo por shell: (1) un modelo metálico con placa de acoplamiento, o doble placa, se calienta y se coloca sobre una

caja que contiene arena mezclada con una resina termo fija; (2) la caja se voltea y deja caer la arena junto con la resina sobre el modelo caliente, la resina se cura en la superficie y forma una cáscara (shell) dura; (3) la caja vuelve a su posición original y las partículas no curadas

caen al fondo; (4) la shell de arena se calienta en una estufa por varios minutos para completar el curado; (5) el molde de shell se desprende del modelo; (6) las dos mitades del molde de shell se ensamblan, sujetadas por arena o granalla metálica en una caja, y se realiza el vaciado.

La fundición terminada sin el bebedero se muestra en (7). Hay muchas ventajas en el proceso de moldeo en shell. La superficie de la cavidad del molde de shell es más liso que el molde convencional de arena verde, su textura permite un mayor flujo del metal fundido durante el vaciado y mejor acabado de la superficie final de la fundición. Se pueden obtener buenos acabados y también buena precisión dimensional con tolerancias posibles de ±0,25 en partes de tamaño mediano a pequeño. El buen acabado y precisión evita muchas veces el maquinado posterior. La retractibilidad del molde es generalmente suficiente para evitar el desgarramiento y agrietado en la fundición. La desventaja del moldeo en shell es el costo del patrón de metal comparado con el patrón para moldeo en arena verde. Esto hace difícil de justificar el moldeo por shell para volúmenes pequeños de producción. El moldeo por shell puede mecanizarse para producción en masa y es más económico en grandes cantidades. Parece particularmente adaptado para fundiciones de acero de menos de 9 kg. Varios engranajes, cuerpos de válvulas, manguitos y árboles de levas son ejemplos de partes hechas con el moldeo en shell. 7.4.2.2.- Moldeo al vacío El moldeo al vacío, también llamado proceso-V, utiliza un molde de arena que se mantiene unido por presión de vacío en lugar de un aglutinante químico. Por consiguiente, el término vacío en este proceso se refiere a la manufactura del molde, y no a la operación de fundición en sí. Los pasos de este proceso, desarrollado en Japón en los años 70, se explican en la Fig. 6.

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FIGURA 6. Pasos en el moldeo al vacío; (1) se adhiere una hoja delgada de plástico sobre un modelo con placa de acoplamiento o doble placa por medio de vacío; el modelo tiene pequeñas ventilas para facilitar la formación del vacío; (2) se coloca una caja de diseño especial

sobre la placa del modelo, se llena de arena y en ésta se forma la copa de vaciado y el bebedero; (3) se coloca una segunda hoja de plástico sobre la caja y se produce el vacío, lo cual causa que los granos de arena se compacten formando un molde rígido; (4) se libera el vacío de la placa del modelo para permitir que éste se separe del molde; (5) el molde se ensambla con su otra mitad para formar las semicajas superior e

inferior, y con el vacío producido en ambas mitades se realiza el vaciado. La hoja de plástico se quema al contacto con el metal fundido. Después de la solidificación casi toda la arena se puede recuperar para reutilizaría.

La recuperación de la arena es una de las múltiples ventajas del moldeo al vacío, ya que no se usan aglutinantes. Además, la arena no requiere el extensivo reacondicionamiento que se lleva a cabo cuando se usan aglutinantes. Los defectos causados por la humedad están ausentes del producto, debido a que la arena no se mezcla con agua. Las desventajas del proceso-V son su relativa lentitud y que no es fácilmente adaptable a la mecanización. 7.4.2.3.- Proceso con poliestireno expandido El proceso de fundición con poliestireno expandido utiliza un molde de arena compactado alrededor de un patrón de espuma de poliestireno que se vaporiza al vaciar el metal fundido dentro del molde. El proceso y sus variaciones se conocen con otros nombres como proceso de espuma perdida, procesos de patrón o modelo perdido, proceso evaporativo de espuma, y el Full-mold Process (éste último es una marca registrada). El modelo de poliestireno incluye el bebedero de colada, el sistema de vaciado y las mazarotas, y también puede contener noyos (si se necesitan), eliminando así la necesidad de hacer noyos por separado. Debido a que el modelo de espuma se convierte en la cavidad del molde, se pueden ignorar las consideraciones del plano de separación. El molde no tiene que ser abierto en la sección superior e inferior. La secuencia de este proceso de fundición se ilustra y describe en la Fig.7. Se pueden usar varios métodos para hacer los patrones, dependiendo del volumen de producción. Para fundiciones únicas, la espuma se corta manualmente en tiras largas y se ensamblan para formar el modelo. En corridas grandes de producción se emplea una operación automatizada que puede producir los modelos antes de hacer los moldes. Los modelos se recubren normalmente con un compuesto refractario para darle una superficie más lisa al patrón y mejorar su resistencia a la alta temperatura. Las arenas de moldeo incluyen usualmente agentes aglutinantes. Sin embargo, en algunos procesos de este grupo se usa arena seca, lo cual ayuda a recuperarla para su reutilización.

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FIGURA 7. Proceso de fundición con poliestireno expandido: (1) el modelo de poliestireno se recubre con un compuesto refractario; (2) el modelo de espuma se coloca en la caja del molde y la arena se compacta alrededor de éste y (3) se vacía el metal fundido en la parte del

patrón que forma la copa de vaciado y el bebedero. Al entrar el metal en el molde la espuma de poliestireno se vaporiza y deja que el metal llene su lugar en la cavidad

Una ventaja significativa de este proceso es que el modelo no necesita removerse del molde, esto simplifica y facilita la fabricación del molde. En los moldes convencionales de arena verde se requieren dos mitades con su planos de separación, así como los dibujos de las tolerancias para el diseño del molde, además se tienen que insertar los noyos y añadir los sistema de vaciado y de mazarotas. En el proceso de polietileno expandido, todos estos pasos se hacen en un modelo. La desventaja del método es que se necesita un nuevo patrón para cada fundición. La justificación económica del proceso de poliestireno expandido depende del costo de producción de los modelos. El proceso de fundición con poliestireno expandido se ha aplicado para fundiciones de motores de automóvil producidos en masa. Existen instalaciones con sistemas de producción automática, destinadas para aplicaciones al moldeo de patrones de espuma de poliestireno. 7.4.2.4.- Fundición por revestimiento En la fundición por revestimiento, el modelo, hecho de cera, se recubre con material refractario para fabricar el molde, después de esto, la cera se funde y evacua antes de vaciar el metal fundido. El término revestimiento viene de la palabra revestir, que significa "cubrir completamente", esto se refiere al revestimiento de material refractario alrededor del modelo de cera. Es un proceso de fundición capaz de hacer piezas de alta precisión e intrincados detalles. El proceso se remonta al antiguo Egipto y se conoce también como fundición a la cera perdida, debido a que el modelo de cera se pierde en el molde antes de fundirse. Los pasos en la fundición por revestimiento se describen en la Fig.8. Como los modelos de cera se funden después que se hace el molde refractario, se debe fabricar un modelo para cada fundición. La producción de modelos se realiza mediante una operación de moldeo, que consiste en vaciar o inyectar cera caliente en un dado maestro, diseñado con las tolerancias apropiadas para la contracción de la cera y del metal de fundición. En los casos donde la forma de la pieza es complicada, se juntan varias piezas de cera para hacer el patrón. En operaciones de alta producción se pegan varios patrones a un bebedero de colada, hecho también de cera, para formar un modelo de árbol, ésta es la forma que tomará el metal fundido.

52

FIGURA 8. Pasos en la fundición por revestimiento: (1) se producen los patrones o modelos de cera; (2) se adhieren varios modelos a un bebedero para formar el modelo de árbol; (3) el modelo de árbol se recubre con una capa delgada de material refractario; (4) se forma el molde entero, cubriendo el árbol revestido con suficiente material para hacerlo rígido; (5) el molde se sostiene en posición invertida y se calienta para fundir la cera y dejar que escurra fuera de la cavidad; (6) el molde se precalienta a una alta temperatura para asegurar la eliminación de todos

los contaminantes del molde, esto también facilita que el metal fluya dentro de la cavidad y sus detalles, el metal se vacía y solidifica; (7) el molde se rompe y se separa de la fundición terminada. Las partes se separan del bebedero de colada.

El recubrimiento con refractario (paso 3) se hace generalmente por inmersión del árbol patrón en un lodo de sílice u otro refractario de grano muy fino (casi en forma de polvo) mezclado con yeso que sirve para unir el molde. El grano fino del material refractario provee una superficie lisa que captura los intrincados detalles del modelo de cera. El molde final (paso 4) se forma por inmersiones repetidas del árbol en el lodo refractario o por una compactación cuidadosa del refractario alrededor del árbol en un recipiente. El molde se deja secar al aire, aproximadamente ocho horas, para que endurezca el aglutinante. Las ventajas de la fundición por revestimiento son:

1) capacidad para fundir piezas complejas e intrincadas; 2) estrecho control dimensional, con posibles tolerancias de ± 0,076 mm; 3) buen acabado de la superficie; 4) recuperación de la cera para reutilizarla y 5) por lo general no se requiere maquinado adicional.

Éste es un proceso de forma neta, aunque relativamente costoso por la cantidad de pasos que involucra su operación. Las partes hechas por este método son normalmente de tamaño pequeño, aunque se han fundido satisfactoriamente partes de formas complejas de hasta 35 kg. Pueden fundirse todos los tipos de metales, incluyendo aceros, aceros inoxidables y otras aleaciones de alta temperatura. Algunos ejemplos de partes fundidas por este proceso son: partes complejas de maquinaria, paletas y otros componentes para motores de turbina, así como joyería y accesorios dentales. 7.4.2.5.- Moldes para fundición de yeso y de cerámi ca Los moldes para fundición en yeso son similares a los de fundición en arena, excepto que el molde está hecho de yeso (2CaSO4H20) en lugar de arena. Se mezclan aditivos como el talco y la arena de sílice con el yeso para controlar la contracción y el tiempo de fraguado, reducir los agrietamientos e incrementar la resistencia.

53 Para fabricar el molde, se hace una mezcla de yeso y agua, se vacía en un modelo de plástico o metal en una caja de moldeo y se deja fraguar. En este método, los modelos de madera son generalmente insatisfactorios, debido al extenso contacto con el agua del yeso. La consistencia permite a la mezcla de yeso fluir fácilmente alrededor del patrón, capturando los detalles y el acabado de la superficie. Ésta es la causa de que las fundiciones hechas en moldes de yeso sean notables por su fidelidad al patrón. El curado del molde de yeso es una de las desventajas de este proceso, al menos para altos volúmenes de producción. El molde debe dejarse fraguar cerca de 20 minutos antes de sacar el modelo y, posteriormente, debe cocerse por varias horas para remover la humedad. Aun cocido, el yeso no se desprende de todo el contenido de humedad. El problema que enfrentan los fundadores es que la resistencia del molde se pierde cuando el yeso se deshidrata y, en el caso contrario, la humedad remanente puede causar defectos en el producto de fundición, por lo tanto es necesario encontrar un balance entre estas alternativas indeseables. Otra desventaja del molde de yeso es que no es permeable, limitando el escape de los gases de la cavidad del molde. Este problema puede resolverse de varias maneras:

1) evacuar el aire de la cavidad del molde antes de vaciar;

2) batir la pasta de yeso antes de hacer el molde, de manera que el yeso fraguado contenga pequeños poros dispersados; y

3) usar composiciones especiales del molde y un tratamiento conocido como proceso Antioch. Este proceso

consiste en utilizar cerca de un 50% de arena mezclada con el yeso, calentar el molde en una autoclave (estufa que usa vapor sobrecalentado a presión), y después secar. El molde resultante tiene una permeabilidad considerablemente más grande que el molde de yeso convencional.

Los moldes de yeso no pueden soportar temperaturas tan elevadas como los moldes de arena. Por lo tanto, están limitados a fundiciones de bajo punto de fusión como aluminio, magnesio y algunas aleaciones de cobre. Su campo de aplicación incluye moldes de metal para plásticos y hule, impulsores para bombas y turbinas, y otras partes cuyas formas son relativamente intrincadas. Los tamaños de las fundiciones varían desde menos de 35 gr. hasta varios cientos de kg; las partes que pesan menos de 9 kg son las más comunes. Las ventajas de los moldes de yeso para estas aplicaciones son su buen acabado superficial, su precisión dimensional y su capacidad para hacer fundiciones de sección transversal delgada. Los moldes cerámicas para fundición son similares a los moldes de yeso, excepto que los materiales cerámicas refractarios de que están hechos pueden soportar temperaturas más altas que el yeso. Así, los moldes cerámicas pueden usarse para fundiciones de acero, hierro y otras aleaciones de alta temperatura. Sus aplicaciones (moldes y piezas relativamente intrincadas) son similares a las de los moldes de yeso excepto por los metales que se funden. Sus ventajas (buena precisión y acabado) son también similares. 7.4.3.- PROCESOS DE FUNDICIÓN EN MOLDE PERMANENTE La desventaja económica de cualquiera de los procesos con molde desechable es la necesidad de un nuevo molde para cada fundición. En la fundición con molde permanente, el molde se reutiliza muchas veces. En esta unidad analizaremos la fundición en molde permanente, tratándola como un proceso básico del grupo de procesos que utilizan moldes metálicos reutilizables. La fundición en dados y la fundición centrífuga son otros procesos del grupo. 7.4.3.1.- Procesos básicos en molde permanente La fundición en molde permanente usa un molde metálico construido en dos secciones que están diseñadas para cerrar y abrir con precisión y facilidad. Los moldes se hacen comúnmente de acero o hierro fundido. La cavidad junto con el sistema de vaciado se forman por maquinado en las dos mitades del molde a fin de lograr una alta precisión dimensional y un buen acabado superficial.

54 Los metales que se funden comúnmente en molde permanente son: aluminio, magnesio, aleaciones de cobre y hierro fundido. Sin embargo, el hierro fundido requiere una alta temperatura de vaciado, 1250°C a 1500 °C, lo cual acorta significativamente la vida del molde. Las temperaturas más altas de vaciado para el acero, hacen inapropiado el uso de moldes permanentes para este metal, a menos que se hagan en moldes de material refractario. En este proceso es posible usar noyos para formar las superficies interiores del producto de fundición. Los noyos pueden ser metálicos, pero su forma debe permitir la remoción de la fundición, o deben ser mecánicamente desmontables para permitir esta operación. Si la remoción del noyo metálico es difícil o imposible se pueden usar noyos de arena, en este caso el proceso de fundición es frecuentemente llamado fundición en molde semipermanente. FIGURA 10. Pasos en la fundición en molde permanente: (1) el molde se precalienta y se recubre; (2) se insertan los noyos (en su caso) y se

cierra el molde; (3) el metal fundido se vacía en el molde y (4) el molde se abre. La parte terminada se muestra en (5). Los pasos en el proceso de fundición con molde permanente se describen en la fig.10. Los moldes se precalientan primero para prepararlos, y se rocía la cavidad con uno o más recubrimientos. El precalentamiento facilita el flujo del metal a través del sistema de vaciado y de la cavidad. Los recubrimientos ayudan a disipar el calor y a lubricar la superficie del molde para separar fácilmente la fundición. Tan pronto como solidifica el metal, el molde se abre y se remueve la fundición. A diferencia de los moldes desechables, los moldes permanentes no se retraen, así que deben abrirse antes de que ocurra la contracción por enfriamiento a fin de prevenir el desarrollo de grietas en la fundición. Las ventajas de la fundición en molde permanente incluyen buen acabado de la superficie y control dimensional estrecho, como ya se mencionó. Además, la solidificación más rápida causada por el molde metálico genera una estructura de grano más fino, de esta forma pueden producirse fundiciones más resistentes. El proceso está limitado generalmente a metales de bajo punto de fusión. La manufactura de formas geométricas más simples que las fundidas en molde de arena (debido a la necesidad de abrir el molde) constituye otra limitación, además del costo. Debido al costo sustancial del molde, el proceso se adapta mejor a producciones de alto volumen que pueden automatizarse. Las partes típicas que se producen con proceso de molde permanente incluyen pistones automotrices, cuerpos de bombas y ciertas fundiciones para aviones y proyectiles. 7.4.3.2.- Variantes de la fundición en molde perman ente Varios procesos de fundición son similares al método básico de molde permanente. Éstos incluyen fundición hueca, fundición a baja presión y fundición en molde permanente al vacío.

55 Fundición hueca La fundición hueca es un proceso de molde permanente en el cual se forma un hueco al invertir el molde, después que el metal ha solidificado parcialmente en la superficie del molde, drenando así el metal líquido del centro. La solidificación empieza en las paredes relativamente frías del molde y progresa con el tiempo hacia la parte media de la fundición. El espesor del casco se controla por el tiempo que transcurre antes de drenar. La fundición hueca se usa para hacer estatuas, pedestales de lámparas y juguetes a partir de metales de bajo punto de fusión como plomo, zinc y estaño. En estos artículos lo importante es la apariencia exterior, pero la resistencia y la geometría interior de la fundición no son relevantes. Fundición a baja presión En el proceso de fundición con molde permanente básico y en la fundición hueca, el flujo de metal en la cavidad del molde es causado por la gravedad. En la fundición a baja presión, el metal líquido se introduce dentro de la cavidad a una presión aproximada de 0,1 MPa, aplicada desde abajo, de manera que el metal fluye hacia arriba como se ilustra en la Fig.11. FIGURA 11. Fundición a baja presión. El diagrama muestra cómo se usa la presión de aire para forzar el metal fundido, dentro de la cuchara

de colada, hacia la cavidad del molde. La presión se mantiene hasta que solidifica la fundición. La ventaja de este método sobre el vaciado tradicional es que se introduce en el molde un metal limpio desde el centro del crisol, en lugar de un metal que ha sido expuesto al aire. Lo anterior reduce la porosidad producida por el gas y los defectos generados por la oxidación, y se mejoran las propiedades mecánicas. Fundición con molde permanente al vacío La fundición con molde permanente al vacío (no confundir con el moldeo al vacío) es una variante de la fundición a baja presión en la cual se usa vacío para introducir el metal fundido en la cavidad del molde. La configuración general del proceso es similar a la operación de fundición a baja presión. La diferencia es que se usa la presión reducida del vacío en el molde para atraer el metal líquido a la cavidad, en lugar de forzarlo por una presión positiva de aire desde abajo. Los beneficios de la técnica al vacío, en relación con la fundición a baja presión, son que se reduce la porosidad del aire y los efectos relacionados, obteniendo una mayor resistencia del producto de fundición. 4.3.3.- Fundición en dados o moldes La fundición en dados es un proceso de fundición en molde permanente en el cual se inyecta el metal fundido en la cavidad del molde a alta presión. Las presiones típicas son de 7 a 350 MPa. La presión se mantiene durante la solidificación; posteriormente, el molde se abre para remover la pieza. Los moldes en la operación de fundición se llaman dados, de aquí el nombre de fundición en dados. El uso de alta presión para forzar al metal dentro de la cavidad del dado es la característica más notable que distingue a este proceso de otros en la categoría de molde permanente. Las operaciones de fundición en dados se llevan a cabo en máquinas especiales. Las máquinas modernas de fundición en dados están diseñadas para mantener un cierre preciso de las dos mitades del molde y mantenerlas cerradas, mientras el metal fundido permanece a presión dentro de la cavidad. La configuración general se muestra en la Fig.12.

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FIGURA 12. Configuración general de una máquina de fundición en dados cámara fría . Existen dos tipos principales de máquinas de fundición en dados: 1) de cámara caliente y 2) de cámara fría; sus diferencias radican en la forma en que se inyecta el metal a la cavidad. En las máquinas de cámara caliente, el metal se funde en un recipiente adherido a la máquina y se inyecta en el dado usando un pistón de alta presión. Las presiones típicas de inyección son de 7 a 35 MPa. La fundición se resume en la Fig.13. Son velocidades características de producción de hasta 500 partes por hora. La fundición en dados con cámara caliente impone una dificultad especial en el sistema de inyección, porque gran parte de dicho sistema queda sumergido en el metal fundido. Por esa causa, las aplicaciones del proceso quedan limitadas a metales de bajo punto de fusión que no atacan químicamente al pistón y a otros componentes mecánicos. Estos metales incluyen al zinc, al estaño, al plomo y algunas veces al magnesio, En las máquinas de fundición en dados con cámara fría, el metal fundido procedente de un contenedor externo para colar, se vacía en una cámara sin calentar y se usa un pistón para inyectar el metal a alta presión en la cavidad del dado. Las presiones de inyección usadas en estas máquinas van típicamente de 14 a 140 MPa. El ciclo de producción se explica en la Fig.14. La velocidad del ciclo no es tan rápida con respecto a las máquinas de cámara caliente, debido a que es necesaria una cuchara de colada para vaciar el metal líquido desde una fuente externa en la cámara. Sin embargo, este proceso de fundición es una operación de alta producción. Las máquinas de cámara fría se usan típicamente para fundiciones de aluminio, latón y aleaciones de magnesio. Las aleaciones de bajo punto de fusión (zinc, estaño, plomo) pueden también fundirse en máquinas de cámara fría, pero las ventajas del proceso de cámara caliente favorecen más el uso de estos metales. Los moldes que se usan en operaciones de fundición en dados se hacen generalmente con acero de herramienta y acero para moldes refractarios. El tungsteno y el molibdeno con buenas cualidades refractarias también se utilizan, especialmente en los intentos para fundir el acero y el hierro en dados. Los dados pueden tener una cavidad única o múltiple. Los dados de cavidad única se muestran en las Figs.13 y 14. FIGURA 13. Ciclo de la fundición en cámara caliente: (1) el metal fluye en la cámara con el dado cerrado y el émbolo levantado; (2) el émbolo fuerza al metal de la cámara a fluir hacia el dado, manteniendo la presión durante el enfriamiento y la solidificación, y (3) se levanta el émbolo,

se abre el dado y se expulsa la parte solidificado. La parte terminada se muestra en (4).

57 FIGURA 14. Ciclo de la fundición en cámara fría: (1) se vacía el metal en la cámara con el dado cerrado y el pisan retraído; (2) el pisón fuerza

al metal a fluir en el dado, manteniendo la presión durante el enfriamiento y la solidificación; y (3) se retrae el pistón, se abre el dado y se expulsa la fundición. El sistema de vaciado está simplificado.

Se requieren pernos expulsores para remover la parte del dado cuando éste se abre, como se muestra en los diagramas. Estos pernos empujan la parte de manera que puedan removerse de la superficie del dado. También es necesario rociar lubricantes en las cavidades para prevenir el pegado. Como los materiales del dado no tienen porosidad natural y el metal fundido fluye rápidamente en el dado durante la inyección, se deben construir barrenos o vías de paso en el plano de separación de los dados para evacuar el aire y los gases de la cavidad. Aun cuando los orificios son bastante pequeños, se llenan con el metal durante la inyección, pero éste debe quitarse después. También es común la formación de rebabas en lugares donde el metal líquido a alta presión penetra entre los pequeños espacios del plano de separación o en los claros alrededor de los noyos y de los pernos expulsores. La rebaba debe recortarse de la fundición junto con el bebedero (colada) y el sistema de vaciado. Las ventajas de la fundición en dados incluyen: 1) altas velocidades de producción; 2) son económicas para volúmenes grandes de producción; 3) son posibles tolerancias estrechas, del orden de ± 0,076 mm en partes pequeñas; 4) buen acabado de la superficie; 5) son posibles secciones delgadas hasta cerca de 0,05 mm y 6) el enfriamiento rápido proporciona a la fundición granos de tamaño pequeño y buena resistencia. Las limitaciones de este proceso, además de los metales que maneja, son la restricción en la forma de las piezas. La geometría de la parte debe ser tal que pueda removerse de la cavidad del dado. 7.4.3.4.- Fundición centrífuga La fundición centrífuga se refiere a varios métodos de fundición caracterizados por utilizar un molde que gira a alta velocidad para que la fuerza centrífuga distribuya el metal fundido en las regiones exteriores de la cavidad del dado. El grupo incluye: 1) fundición centrífuga real, 2) fundición semicentrífuga y 3) fundición centrifugada o centrifugado. Fundición centrífuga real. En la fundición centrífuga real, el metal fundido se vacía en un molde que está girando para producir una parte tubular. Ejemplos de partes hechas por este proceso incluyen tubos, caños, manguitos y anillos. Este método se ilustra en la Fig.15. El metal fundido se vacía en el extremo de un molde rotatorio horizontal. La rotación del molde empieza en algunos casos después del vaciado. La alta velocidad genera fuerzas centrífugas que impulsan al metal a tomar la forma de la cavidad del molde. Por lo tanto, la forma exterior de la fundición puede ser redonda, octagonal, hexagonal o cualquier otra. Sin embargo, la forma interior de la fundición es perfectamente redonda (al menos teóricamente), debido a la simetría radial de las fuerzas en juego. La orientación del eje de rotación del molde puede ser horizontal o vertical, pero esta última es la más común. Para que el proceso trabaje satisfactoriamente se calcula la velocidad de rotación del molde en la fundición centrífuga horizontal. La fuerza centrífuga está definida por la ecuación:

58 F = mv2 / R

donde F = fuerza en N; m = masa, kg.; v = velocidad, m/s y R = radio interior del molde, m. La fuerza de gravedad es su peso W = m.g, donde W está dada en kg y g = aceleración de la gravedad (32.2 m/seg2. El factor–G, GF es la relación de fuerza centrífuga dividida por el peso:

GF = F / W = mv2 / R.m.g = v2 / R.g La velocidad v puede expresarse como 2πRΝ / 60 = πRN / 30, donde N = velocidad rotacional rev/min. Al sustituir esta expresión en la ecuación obtenemos

GF = R (πN / 30)2 / g

Con un arreglo matemático para despejar la velocidad rotacional N y usando el diámetro D en lugar del radio, tenemos

N = (30 / π) . (2g GF / D )1/2

donde D = diámetro interior del molde (m). Si el factor-G es demasiado bajo en la fundición centrífuga, el metal líquido no quedará pegado a la pared del molde durante la mitad superior de la ruta circular sino que "lloverá" dentro de la cavidad. Ocurren deslizamientos entre el metal fundido y la pared del molde, lo cual significa que la velocidad rotacional del metal es menor que la del molde.

FIGURA15. Disposición de la fundición centrífuga real. Fundición semicentrífuga En este método se usa la fuerza centrífuga para producir fundiciones sólidas en lugar de partes tubulares, como se muestra en la figura 13.6. La velocidad de rotación se ajusta generalmente para un factor -G alrededor de 15, y los moldes se diseñan con mazarotas que alimenten metal fundido desde el centro. La densidad del metal en la fundición final es más grande en la sección externa que en el centro de rotación. El proceso se usa frecuentemente para producir fundiciones en las que se elimina el centro mediante maquinado, excluyendo así la porción de más baja calidad. Los volantes y las poleas son ejemplos de fundiciones que pueden hacerse por este proceso. Se usan frecuentemente moldes consumibles o desechables en la fundición semicentrífuga, como sugiere nuestra ilustración del proceso.

FIGURA 16. Fundición semicentrífuga. Fundición centrifugada En la fundición centrifugada Fig.17 el molde se diseña con cavidades parciales localizadas lejos del eje de rotación, de manera que la fuerza centrífuga distribuya la colada del metal entre estas cavidades. El proceso se usa para partes pequeñas, la simetría radial de la parte no es un requerimiento como en los otros dos métodos de fundición centrífuga.

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FIGURA 17. (a) Fundición centrifugada: la fuerza centrífuga hace que el metal fluya a las cavidades del molde lejos del eje de rotación y (b) la fundición.

TABLA 2. Tolerancias dimensionales típicas y acabados superficiales para diferentes procesos de fundición y

metales

Proceso de fundición Tamaño de la parte Tolerancia mm Rugosidad superficial µm

Fundición en arena Aluminio Hierro fundido Aleaciones de cobre Acero Moldeo en shell Aluminio Hierro fundido Aleaciones de cobre Acero Molde de yeso Molde permanente Aluminio Hierro fundido Aleaciones de cobre Acero Fundición en dados Aleaciones de cobre Aluminio Revestimiento Aluminio Hierro fundido Aleaciones de cobre Acero

Pequeño Pequeño Grande

Pequeño Pequeño Grande

Pequeño Pequeño Pequeño Pequeño

Pequeño Grande

Pequeño Pequeño Pequeño Pequeño

Pequeño Pequeño

Pequeño Pequeño Pequeño Pequeño

± 0,5 ± 1,0 ± 1,5 ± 0,4 ± 1,3 ± 2,0

± 0,25 ± 0,5 ± 0,4 ± 0,8

± 0,12 ± 0,4

± 0,25 ± 0,8 ± 0,4 ± 0,5

± 0,12 ± 0,12

± 0,12 ± 0,25 ± 0,12 ± 0,25

6-25

6,4

0,75

3,2

1-2,5

0,75-2,5

Los valores de la rugosidad son para molde de arena verde; para otros procesos con molde de arena, el acabado superficial es mejor. Los valores para el aluminio se aplican también al magnesio.

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