Proceso de Fundicion (Sintesis)

FUNDICION

Entre todos los procesos de manufactura uno de los más populares es la

fundición. Debido a la variedad de piezas que se pueden obtener a partir de este

proceso. Pero debe ser un proceso controlado pues de las condiciones apropiadas

que se tengan preparadas para el proceso depende la calidad del mismo. A

continuación se describirá el proceso y las partes del mismo detalladamente y

sugiriendo las condiciones optimas para obtener piezas de buena calidad,

Definiendo también los conceptos que sean necesarios para entender

correctamente el proceso de fundición.

Un proceso de fundición consta principalmente de tres instantes, se funde el

metal, se vacía en el molde y por último se deja enfriar. Esta actividad me permite

crear piezas con geometrías complicadas y de gran volumen; pero también con

tamaños muy pequeños, y en muchos casos no es necesario realizar actividades

posteriores para acabar la pieza. Pero trae impedimentos relacionados con ciertas

características del material a fundir. Este puede no solo puede ser metal también

puede ser un polímero o un cerámico.

La fundición inicia lógicamente calentando le metal o el material que se vaya a

implementar y se vierte en el molde, este molde es una cavidad que debe tener el

negativo de la forma que se desea obtener un poco sobredimensionado debido a

la contracción que sufrirá el material cuando se solidifique. Los moldes pueden ser

de varios tipos y de allí el tipo de fundición. Los moldes más comunes son:

El molde abierto: es aquel donde el metal líquido se vierte en una cavidad

abierta.

el molde cerrado: es aquel donde el metal líquido se vierte en un sistema

de vaciado que conduce el líquido hasta la cavidad. Es el método de

fundición más usado en los sistemas de producción.

el molde desechable: en este tipo de fundiciones el molde debe ser

destruido para poder obtener la pieza. Estos moldes son generalmente

hechos con arena, yeso y varios tipos de aglomerantes entre otros.

el molde permanente: este tipo de fundiciones se realiza generalmente

cuando tenemos producciones muy grandes donde resulta ineficiente

emplear moldes desechables. Estos moldes constan de dos secciones que

se abren para obtener la pieza. Lo más común en este tipo de fundición es

la fundición en dados.

Entre los moldes desechables más usados se encuentran los moldes de arena.

Estos son fabricados a partir de sílice o mezcla de otros minerales, con tal que

dicha mezcla tenga propiedades refractarias, es decir, que pueda resistir altas

temperaturas sin fundirse o degradarse. La mezcla más común es la de arena,

agua, arcilla y otros aglutinantes.

Para las partes más importantes de un molde son la tapa y la draga que se

refieren a la tapa superior e inferior del molde respectivamente. Estas dos se

encuentran separadas por el plano de separación en la caja del molde. En la

fabricación de moldes desechables, estos se hacen generalmente con madera u

otro tipo de polímero, donde en cada una de las tapas se encuentra el negativo de

una parte de la pieza a fabricar y en la otra el negativo del complemento de la

pieza. Es muy importante a la hora de diseñar un molde la construcción de un

buen sistema de vaciado. Este consiste en una red de canales por donde fluye el

material fundido hacia adentro del molde. Este comienza por el bebedero que es el

lugar por donde ingresa el líquido fundido y que conecta con el resto del sistema

de vaciado. Arriba del bebedero se encuentra la copa de vaciado la cual se utiliza

para eliminar salpicaduras a la hora de verter el material fundido. Otra parte

importante dentro del molde es la mazarota. Esta es la encargada de servir como

una reserva de material a la hora de la solidificación. Puesto que es muy probable

que cuando se solidifique el material se contraiga y esta debe compensar el

material que se redujo.

En general los moldes con arena permiten una mejor ventilación de los gases por

lo cual tienen un mejor acabado a diferencia de los moldes permanentes donde es

necesario hacer ciertos agujeros para crear un mejor acabado. Después de tener

un molde ya diseñado se procede calentar el respetivo material a una temperatura

óptima la cual sea suficiente para que el material al ser vertido dentro del molde

alcance a tomar toda la forma del molde antes de solidificarse a esta temperatura

se le llama sobrecalentamiento y tiene que ver con la diferencia entre las

temperaturas de vaciado y la de solidificación. Aunque la temperatura no es el

único factor para que esto se dé. Entre los factores principales están: la velocidad

de vaciado y la turbulencia. La velocidad de vaciado debe ser bien controlada

debido a que la falta de velocidad o su exceso puede significar daños en la pieza.

Si la velocidad es muy lenta seguramente el material se solidificara antes de haber

tomado completamente la forma de la pieza por tanto quedara incompleta. Pero si

es muy rápida esta velocidad se originara una turbulencia capaz de ocasionar

óxidos difíciles de identificar, además vuelve al material más propenso a la erosión

que pueda tener debido al contacto con el ambiente. Partiendo de cálculos

matemáticos se recomienda que la mazarota debe ser diseñada reduciendo el

canal del sistema de vaciado conforme vaya avanzando el liquido, para mejorar

también el sistema se debe hacerla mazarota con ahusamiento. Para que no sea

tan lenta la velocidad y tampoco tan rápida para formar turbulencia, el fin es que

las velocidad del flujo del material debe ser igual en la parte superior del bebedero

como en la parte inferior del sistema de vaciado. Logrando esto podemos realizar

cálculos precisos acerca del tiempo de llenado. Estos cálculos deben ser tomados

en cuenta como el tiempo mínimo que debe durar el llenado del molde.

Otro aspecto importante a la hora de realizar una fundición es el tipo de horno que

se va emplear. Los más comunes son cubilotes, hornos calentados por fuego

directo, hornos de arco eléctrico, hornos de inducción.

Los cubilotes son hornos cilíndricos fabricados con acero y recubiertos con

materiales refractarios. La mayoría de estos hornos son empleados en la fundición

de grandes toneladas de hierro.

Los hornos calentados por fuego directo es un horno más sencillo donde si utiliza

un quemador y una tapa para regular la temperatura. El combustible más común

empleado en este tipo de horno es el gas natural. Los gases salen por una

chimenea y debajo del horno ahí una pequeña abertura donde deja salir metal

fundido. Este tipo de horno es usado para fundir aleaciones de cobre o aluminio y

metales no ferrosos.

Los hornos de crisol se caracterizan por qué no son calentados de una forma

directa es decir, el metal se funde sin entrar en contacto directo con los gases de

combustión. Existen tres tipos de horno crisol, el móvil, el fijo y el basculante.

Los hornos por arco eléctrico, como su nombre lo indica, el calor generado es

originado a partir de la energía de un arco eléctrico y son usados principalmente

para la producción de acero.

Y por último los hornos de inducción los cuales funcionan a través de de la

inducción de corriente alterna, por medio de una bobina que brinda calor y una

rápida fusión del material. Se suele usar para fundir aleaciones de hierro, aluminio

o acero de excelente calidad. Puesto que este tipo de horno brinda una fundición

con muy pocas imperfecciones debido a que el metal a fundir no está en contacto

con ningún elemento calefactor así que es más fácil controlar el proceso, y así

obtener una excelente calidad.

Otra característica importante que se debe tener en cuenta al momento de fundir y

dar forma a un material es su fluidez, la cual es una medida de la capacidad del

metal para llenar el molde antes de enfriarte, lo inverso a la viscosidad que es la

resistencia que posee un fluido a un esfuerzo cortante, en pocas palabras al

incrementar la viscosidad, la fluidez decrece; una forma muy común de medir la

fluidez es por medio de un instrumento llamado molde espiral.

La fluidez de un material siempre se va a ver afectada por factores o propiedades

de este mismo como son, la temperatura de vaciado, la composición del material,

la viscosidad de este mismo y el calor transmitido hacia los alrededores. Algo que

se debe tener en cuenta, es que cuando se vierte el metal liquido debe de

asegurarse que la temperatura de este sea mucho mayor que la temperatura del

punto de solidificación, esto para evitar que al momento de entrar en contacto el

metal con el molde la perdida de calor por contacto, no disminuya mucho la

temperatura del liquido para que este no solidifique antes de llenar todo el molde.

Lograr que el metal liquido llene por completo el molde sin que solidifique durante

su trayecto, nos garantizara la homogeneidad del material cuando este solido y

además evitaremos problemas como la formación de oxido y porosidades no

deseadas. Otro punto importantes para que nuestro proceso sea lo más optimo

posible es la selección de un material cuya composición permita una solidificación

uniforme a temperaturas contaste, es decir que la composición de nuestro material

sea los mas pura posible o que lo elementos aliados temperaturas de solidificación

semejantes, para que todas las moléculas o partículas presentes solidifiquen a

una temperatura especifica o intervalos de temperatura pequeños.

Otra etapa muy importante en el proceso de formación de sólidos por fundición, es

la solidificación y enfriamiento, como su nombre lo dice es el proceso o etapa

donde nuestro material se solidifica y enfría, esta etapa es una de las más

delicadas debido a que un enfriamiento inadecuado puede generar cambios

notables en las propiedades mecánicas del material. El proceso de solidificación

en la fundición de metales difiere en gran medida dependiendo si el material es

puro o es una aleación, en los metales puros la temperatura de solidificación se da

de manera constante y va ser determinada por el punto de solidificación del

material, esto se debe a que la composición química es única y homogénea en

todo el sólido, por lo tanto solidificara siempre a esta temperatura. La curva de

enfriamiento de un material siempre nos brindara una idea de cómo es el

comportamiento del material en su enfriamiento, desde que termina su vertimiento

en el molde, esta curva es característica de cada material, es decir que dos

materiales no poseen la misma curva de enfriamiento.

Como sabemos el material siempre solidificara primero alrededor del molde, es

decir formara delgadas películas en las paredes de este mismo, formando costras

alrededor del material fundidos las cuales crecerán desde afuera hacia adentro, el

cuidado y análisis de cómo se formaran los granos de cada capa adyacente una

de otra determinaran las propiedades mecánicas del material, los granos mas

cercanos a las paredes del molde siempre presentaran características diferentes

que los granos del centro, debido a que enfriaran más rápido porque la

transferencia de calor es más rápida, mientras que en el centro será más lenta, las

características de los tipos de granos formados serán: En la paredes serán finos,

equiaxiales y orientados aleatoriamente, a medida que avanzan hacia el centro los

granos tienden a ser en forma de espinas o agujas esto se debe al que el

enfriamiento es lento debido a que ocurre en zonas que están alejadas de las

paredes del molde lo que dificulta la disipación del calor.

En las aleaciones el enfriamiento se da en intervalos de temperaturas, y esta

depende de los aleados en el sólido es decir de cómo está compuesto el material

a nivel químico, es importante resaltar que el enfriamiento en este tipo de

elemento difiere de las aleaciones puras en que el tipod e grano que ocurren cerca

de las paredes pueden ocurrir en el centro del molde esto se debe a que el

material siempre tendera a solidificar por zonas, es por ello que es de suma

importancia seleccionar aleaciones cuyo puntos de solidificación no difieran mucho

y sean lo más cercanas posibles para así evitar la segregación de lingote. Otro

tipo de solidificación es la que ocurre en aleaciones eutécticas donde su

composición particular le brinda un beneficio a la solidificación debido a que esta

por lo general se da a temperatura constante mas no por intervalos un ejemplo

claro de este tipo de aleaciones es la de plomo estaño cuyo punto de solidificación

es a 362°F.

La contracción del material es otra característica importante que se debe tener en

cuenta durante esta etapa de enfriamiento y la solidificación, porque causa

problemas como la reducción posterior en la altura de fundición y que la cantidad

de material liquido disponible para alimentar la porción superior del centro de la

fundición se restringe, es por ello que siempre el molde debe sobredimensionarse

y asignarle toleración para que cuando ocurra la contracción del material este

tome las dimensiones requeridas. Otro gran problema que ocurre por la

contracción del material es el rechupe, que son espacio vacios por que el material

alrededor de este se contrajo, para evitar estos inconvenientes algunas soluciones

que se presentan son que las zonas más alejadas de la fuente de metal liquido

siempre solidifiquen primero, esto se logra con una adecuado ubicación de la

mazarota o con el uso de enfriadores, los cuales no ayudara a aumentar la

transferencia de calor por lo tanto las zonas cercanas a los enfriadores

solidificaran mas rápido y evitara que ocurran los rechupes. Un punto que cabe

resaltar es que siempre se debe evitar que las zonas cercanas a la mazarota

salifiquen de primero, ya que puede que ocurra que el liquido enfrié mas rápido y

que este no alcance a llenar toda la cavidad del molde o cree rechupes, es por ello

la importancia de diseñar y ubicar de la mejor forma la mazarota, que juego uno de

los papeles mas importantes en este proceso de fundición, ya que gracias a ella

logramos compensar la contracción por solidificación alimentando siempre con

metal liquido este proceso, y evitando asi problemas que mas tarde nos costaran.

Para el diseño de la mazarota es importante tener en cuenta que siempre esta

debe tener formas circulares o en su defecto cilíndricas y se debe diseñar

optimizando los costos es decir debo pensar además de que me funciones como

quiero, me gaste lo menos que pueda del material, ya que la mazarota pertenece

al molde y solidificara igual que el resto del sólido, lo que conllevaría a ser material

inservible al menos que se vuelva a fundir para la fabricación de otro material, lo

que conlleva a mas gastos de energía. El buen diseño de una mazarota me

garantiza un enfriado homogéneo y fuera de problemas como los anteriormente

nombrados.

Fuente:

Fundamentos de manufactura moderna: materiales, procesos y sistemasGroover, Mikell P.Barrientos Morales, AntonioLeón Cárdernas, JavierReyes Rosales, Rosendo