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ESCUELA POLITECNICA DELEJÉRCITO

DEPARTAMENTO DE CIENCIAS DE LAENERGÍA Y MECÁNICA

CARRERA DE INGENIERÍA MECÁNICA

ING. PATRICIO QUEZADA MORALES

DOCENTE FUNDICIÓN

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Unidad I Metalurgia Extractiva

SANGOLQUÍ – SEPTIEMBRE 2009

INTRODUCCIÓNA lo largo de la historia, desde su aparición en la Tierra, el ser humano se haayudado de instrumentos para modificar la naturaleza a su favor. En estesentido, la historia del hombre es una historia de la técnica, una historia en laque se ha buscado transformar los elementos disponibles en el medio ambiente de modo que esta transformación hiciera la vida más sencilla. Desde muytempranos momentos el hombre utilizó los elementos más disponibles a sualrededor: palos, piedras, pieles, huesos, elementos que podían ser trabajados,manipulados, para conseguir de ellos una efectividad, pero elementos que nonecesitaban, en última instancia, de ninguna transformación íntima, ninguna

modificación de sus propiedades estructurales. No es esto lo que ocurre conlos metales. El metal, en su mayor parte, requiere para ser utilizado de unamodificación trabajosa y compleja de las caracter ísticas en que lo hallamos enestado natural.

La aparición de la metalurgia es un elemento reciente, visto desde la escala general de la historia, pero de tal importancia para el ser humano que no seríaposible entender sin él el flujo de la historia ni, por supuesto, las sociedades contemporáneas. Así se ha considerado desde antiguo, hasta el punto deconsiderar su descubrimiento el hito que marca un antes y un después en lassociedades prehistóricas. En 1836 el danés C. J. Thomsen expone el Sistema 

de las tres edades para clasificar el material prehistórico, propone que losmateriales se dividan según provengan de la Edad de Piedra, de la Edad delBronce o de la Edad del Hierro. Este sistema fue rápidamente aceptado por losinvestigadores y supuso un importante avance conceptual. Los artefactosprehistóricos podían ordenarse cronológicamente y, así, se proporcionaba unmétodo eficaz para el estudio del pasado. Hoy día dicha clasificación, conmodificaciones que no dejan de ser importantes, sigue vigente.

La fundición es una industria, de las más antiguas que se ha conocido,relacionado con el campo donde se realiza trabajo con los metales y su iniciodata de los años 4000A.C., donde se utilizaban moldes de piedra y metal para

el colado del cobre.

Una fundición es la colección de los materiales que son necesarios y que seutilizan para producir un colado a través de un procedimiento con un equipoadecuado. El proceso de producción de la mayoría de las piezas metálicas sepuede realizar a través del vertido de un metal fundido sobre un molde hueco,que generalmente se lo realiza en arena.

El proceso de colada permite obtener piezas o lingotes, sólidos, a partir delmetal líquido el cual lo hemos logrado por procesos extractivos y de afino.

El proceso de colada consiste simplemente en llenar un molde con el materialfluido, el cual toma la forma del molde al solidificar.

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Unidad I Metalurgia Extractiva

El proceso en si, es muy simple:

Una vez fundido el metal se vacía en un molde y se deja enfriar, tomando enconsideración todos los parámetros se puede lograr una fundición acorde conlas necesidades.

La Fundición es un arte muy antiguo que todavía se emplea en la actualidad,aunque ha sido sustituido por otros métodos como el fundido a presión, la forja,la extracción, el mecanizado y el laminado.

Este documento se lo ha realizado con la finalidad de que el alumno posea unaherramienta de consulta para el mejor desarrollo de la asignatura, ya quetextos de fundición no se pueden obtener fácilmente, ha sido una recopilaciónde fragmentos correspondientes a fundición existentes en los textos demanufactura en donde se demuestra un enfoque general sobre él área de lametalurgia extractiva, y de los procesos de fabricación de cualquier tipo de

maquinaria o piezas en especial ,mediante un proceso de fundición.

Dentro de la misión de la Escuela Politécnica del Ejército es, la de formar Profesionales investigadores de excelencia, creativos, humanistas aplicando ydifundiendo los conocimientos e implementando alternativas de solución a losproblemas de la colectividad, proporcionándoles los fundamentos de latecnología de la fundición de piezas, para que desarrollen su capacidadtecnológica y la apliquen en los adecuados diseños, cuando vayan a ejercer sus funciones en la industria de la Fundición. Esperando que con su mejor desempeño, continúen manteniendo el prestigio que poseen los graduados de

la Escuela Politécnica del Ejército.

METALURGIA

DEFINICIÓN:

Ciencia aplicada, cuyo objeto es el estudio de las operaciones industrialestendientes a la preparación, tratamiento (físico y/o químico), producción demetales y sus aleaciones. En términos generales, la técnica metalúrgicacomprende las siguientes fases: Obtención del metal a partir de uno de susminerales (mena)Afino o purificación del metal, preparación de aleaciones,

tratamientos mecánicos, térmicos o termoquímicos para su mejor utilización.Desde tiempos muy remotos, el uso de ciertos metales conocidos, como elcobre, hierro, plata, plomo, mercurio, antimonio y estaño, se convirtió enindispensable para la evolución de las distintas civilizaciones.Por ello, la metalurgia es una actividad en la cual el ser humano ha dedicadograndes esfuerzos, desde la antigüedad ya se aplicaban algunas técnicasmetalúrgicas, como el moldeo a la cera perdida utilizado por los chinos,egipcios y griegos; la soldadura inventada por Glauco en el siglo VII a. C., y eltratamiento térmico para el temple con acero utilizado por los griegos.No fue hasta la edad media cuando aparecieron otras técnicas metalúrgicas deimportancia, y así, durante el siglo XIII aparecieron los primeros altos hornos yla fundición.

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Unidad I Metalurgia Extractiva

Los procesos metalúrgicos constan de dos operaciones: la concentración, queconsiste en separar el metal o compuesto metálico del material residual que loacompaña en el mineral, y el refinado, en el que se trata de producir el metal enun estado puro o casi puro, adecuado para su empleo. Tanto para laconcentración como para el refinado se emplean tres tipos de procesos:

mecánicos, químicos y eléctricos. En la mayoría de los casos se usa unacombinación de los tres.

Uno de los métodos de concentración mecánica más sencillos es la separaciónpor gravedad. Este sistema se basa en la diferencia de densidad entre losmetales nativos y compuestos metálicos y los demás materiales con los queestán mezclados en la roca. Cuando se tritura el mineral o el concentrado demineral y se suspende en agua o en un chorro de aire, las partículas de metal odel compuesto metálico, más pesadas, caen al fondo de la cámara deprocesado y el agua o el aire se llevan la ganga (material residual), más ligera.La técnica de los buscadores de oro para separar el metal de las arenas

auríferas mediante cribado, por ejemplo, es un proceso de separación por gravedad a pequeña escala. Del mismo modo, la mayor densidad relativa de lamagnetita, un mineral de hierro, permite separarla de la ganga con la que seencuentra mezclada.

La flotación es hoy el método más importante de concentración mecánica. Ensu forma más simple, es un proceso de gravedad modificado en el que elmineral metálico finamente triturado se mezcla con un líquido, el metal ocompuesto metálico suele flotar, mientras que la ganga se va al fondo. Enalgunos casos ocurre lo contrario.

En la mayoría de los procesos de flotación modernos se emplean aceites uotros agentes tensoactivos para ayudar a flotar al metal o a la ganga. Estopermite que floten en agua sustancias de cierto peso. En uno de los procesosque utilizan este método se mezcla con agua un mineral finamente trituradoque contiene sulfuro de cobre, al que se le añaden pequeñas cantidades deaceite, ácido y otros reactivos de flotación. Cuando se insufla aire en estamezcla se forma una espuma en la superficie, que se mezcla con el sulfuropero no con la ganga. Esta última se va al fondo, y el sulfuro se recoge de laespuma. El proceso de flotación ha permitido explotar muchos depósitosminerales de baja concentración, e incluso residuos de plantas de procesado

que utilizan técnicas menos eficientes. En algunos casos, la llamada flotacióndiferencial permite concentrar mediante un único proceso diversos compuestosmetálicos a partir de un mineral complejo.

Los minerales con propiedades magnéticas muy marcadas, como la magnetita,se concentran por medio de electroimanes que atraen el metal pero no laganga.

Los métodos de separación o concentración química son en general los másimportantes desde el punto de vista económico. Hoy, esta separación se utilizacon frecuencia como segunda etapa del proceso, después de la concentración

mecánica. La fundición proporciona un tonelaje mayor de metal refinado quecualquier otro proceso

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La amalgamación es un proceso metalúrgico que utiliza mercurio para disolver plata u oro formando una amalgama.

METALURGIA EXTRACTIVA

La Metalurgia Extractiva es la rama de la ingeniería que involucra los procesosde beneficio, concentración y extracción de metales y/o compuestos, aplicandolas leyes de la mecánica y la termodinámica a las operaciones de reducción detamaño, separación sólido/sólido y sólido/agua y ataque bien sea en mediosacuosos o con alta temperaturaLas primeras fundiciones se hicieron durante el período 4000 -3000 A.Cutilizando moldes de piedra y metal para el colado del cobre. Con el transcurrir del tiempo se fueron desarrollando varios procesos de colado .cada uno deellos con sus propias características y aplicaciones, a fin de llenar 

requerimientos específicos de ingeniería y de servicio. Mediante el colado semanufacturan piezas y componentes incluyendo cámaras, carburadores,motores, cigüeñales, partes automotrices, equipos agrícolas y paraferrocarriles tuberías y acoplamientos de plomería, herramientas eléctricas,cañones de rifle, sartenes y componentes de gran tamaño para turbinashidráulicas.Actualmente dos tendencias están teniendo un impacto de importancia en laindustria de la fundición.La primera es la constante mecanización y automatización del proceso defundición que ha conducido cambios significativos en el uso del equipo y de lamano de obra. Maquinaria y sistemas de control de proceso automáticos hanreemplazado los métodos tradicionales de fundición.

La segunda tendencia de importancia es la creciente demanda de piezasfundidas de alta calidad, con tolerancias dimensionales cerradas y sindefectos.

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OBTENCIÓN DEL HIERRO

La obtención del hierro se basa en general, en la reducción de los óxidos dehierro, que son los minerales de este metal más abundantes en la naturaleza.Los carbonatos se calcinan y los sulfatos se tuestan previamente para

reducirlos a óxidos .Esta reducción y dilución del O2 con el que va combinado elhierro se efectúa por un agente reductor con la colaboración de un agentetérmico

Conocidos desde los tiempos mas remotos llamándose a una época de lahistoria como edad del hierro. En un principio se cree que el hierro eraproveniente de los meteoritos (hace 50000 años) que penetraban en laatmósfera de la tierra. La fabricación de acero a partir del hierro, es antigua, losgriegos 500 AC ya conocían la obtención del hierro y el temple del acero.

El hierro era conocido y utilizado para los propósitos ornamentales y para

armas en edades prehistóricas; el espécimen más temprano todavía existentees un grupo de cuentas férricas oxidadas encontradas en Egipto, en el año4000 AC. El termino arqueológico, edad férrica, solo aplicaba propiamente alperiodo cuando se uso el hierro extensivamente para los propósitos utilitarios,como para herramientas, así como también para la ornamentación.

Todos los productos obtenidos con el hierro y sus aleaciones se denominanproductos siderúrgicos. Para la obtención del hierro son necesarios mineralesferrosos y otras materias como fundentes y carbón. Los minerales de hierromás importantes son: magnetita, oligisto, limonita y siderita.

Es el elemento esencial para la producción del acero, el cual esta compuestoen un 78% como mínimo de Fe, el hierro posee una gran cantidad depropiedades favorables para la construcción, y por ello después del concreto,es llamado como el esqueleto de las estructuras.

En la actualidad la obtención del hierro se efectúa en altos hornos cuyo perfilcaracterístico es el de los troncos de cono unidos por sus bases mayores laparte superior se denomina cuba y la parte inferior, atalaje, el productoobtenido es el arrabio o fundición, escorias y gases. Esta materia no esutilizable, y es necesaria una nueva fusión para obtener el hierro dulce y la

fundición propiamente dicha. Para la obtención del acero se emplean variossistemas: Bessemer, siemens y tomas que tienden a volverlo a fundir,eliminando parte del carbono y añadiendo otras sustancias.

PROPIEDADES DEL HIERRO

El hierro técnicamente puro, esto es con menos de 0,0008 de C tiene lassiguientes propiedades:

Metal blanco azulado, dúctil y maleableBuen conductor de la electricidad.

Peso específico 7.87Funde de 1536, 5 a 1539 ºC

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El metal existe en tres formas diferentes: ordinaria o α-hierro; β-hierro; δ-hierro.Las propiedades físicas diferentes de todas las formas alotrópicas y ladiferencia en la cantidad de carbono, por cada una de las formas tocan en unaparte importante en la formación, endurecido, y templado de acero.

Químicamente, el hierro es un metal activo. Combina los halógenos ( fluor,cloro, bromo...), azufre, fósforo, carbono. Este reacciona con algunos ácidosperdiendo sus características, o en algunos casos llega a la corrosión masiva.Generalmente al estar en presencia de aire húmedo, se corroe, formando unacapa de oxido rojiza-castaño (oxido férrico escamoso), la cual disminuye suresistencia y además estéticamente es desagradable

Principales minerales para obtener hierro

• Óxidos férricos anhidros

- Hierro oligisto Fe2O3 70%Fe- Hematites roja Fe2O3 70%Fe- Óxidos férricos Hidratados- Hematities parda Fe2O3. 3H2O 60%- Óxidos ferrosos Férricos- Magnetita Fe3O4 72,4%- Carbonatos- Siderita CO3Fe 48,3%- Sulfuros- Pirita de hierro S2Fe 46.6%

- Calcopirita S2FeCuHierro oligisto se presenta cristalizado en romboedros de color negro brillante.

Hematites roja es el mineral de hierro mas abundante, se encuentra enEspaña, Normandía, Argelia, Túnez, Norte América Magnetita (piedra imán) esel mineral más rico de hierro, pero es el más difícil de tratar por las gangas deazufre que lo acompañan. Siderita blanco amarillento, se hallan en España,Francia, Inglaterra, EEUU.

PRODUCCIÓN DEL HIERRO

El diagrama general de la fusión primaria del hierro integra a la mayoría de lasactividades que se desarrollan en el proceso productivo. No se debe olvidar que los diagramas de flujo son una de las herramientas más utilizadas por losingenieros industriales y que de manera automática los deben utilizar oelaborar.

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El 90% de todos los metales fabricados a escala mundial son de hierro yacero. Los procesos para la obtención de hierro fueron conocidos desde elaño 1200 A.C.

Existen grandes yacimientos de este mineral en Estados Unidos y enSuecia. En todo el mundo se pueden encontrar grandes cantidades depirita, pero no es utilizable por su gran contenido de azufre.

El arrabio es un hierro de poca calidad, su contenido de carbón no está

controlado y la cantidad de azufre rebasa los mínimos permitidos en loshierros comerciales. Sin embargo es el producto de un proceso conocidocomo la fusión primaria del hierro y del cual todos los hierros y aceroscomerciales proceden.

A la caliza, el coque y el mineral de hierro se les prepara antes deintroducirse al alto horno para que tengan la calidad, el tamaño y latemperatura adecuada, esto se logra por medio del lavado, triturado ycribado de los tres materiales.

Máquinas para realizar la trituración de los minerales:

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PROCESO DE PRODUCCIÓN

Este se produce generalmente en lingotes, los materiales básicos usados en lafabricación de este son el coque y el agua, el coque se quema como un

combustible para calentar el horno a altas temperaturas, para generar lafundición del material férrico para darle fluidez y pureza, apto para el moldeo,para formar un fluido, el cual se introduce en los diferentes moldes con el fin dedarle la forma de lingote, la cual es la forma mas conveniente para almacenar ytransportar, pero estos sufren un cambio brusco de temperatura al añadirleagua, para darle cierto temple.

Para la producción de hierro y acero son necesarios cuatro elementosfundamentales:

• Mineral de hierro• Coque• Piedra caliza• Aire

Los tres primeros se extraen de minas y son transportados y hay queprepararlos antes de que se introduzcan al sistema en el que se producirá elarrabio.

A principio de los años 90, la producción de Estados Unidos anual de materiaférrica excedió en 56 millones de toneladas métricas. En el mismo periodo laproducción mundial era casi de 920 millones de toneladas métricas. El valor estimado de materia utilizable producido en 1990 en los Estados Unidos estabamas de $1.7mil millones.

ACEROS

Son aquellos productos ferrosos cuyo tanto por ciento de carbono estacomprendido entre 0.05% y 1.7%; el acero endurece por el temple y una veztemplado, tiene la propiedad de que si se calienta de nuevo y se enfríalentamente, disminuye su dureza. El acero funde entre los 1400 y 1500° C, y sepuede moldear con más facilidad que el hierro.

La proporción de carbono influye sobre las características del metal. Sedistinguen dos grandes familias de acero: los aceros aleados y los no aleados.Existe una aleación cuando los elementos químicos distintos al carbono seadicionan al hierro según una dosificación mínima variable para cada uno deellos.

Por ejemplo el 0.5% para el silicio, el 0.08% para el molibdeno, el 10.5% parael cromo. De esta manera una aleación del 17% de cromo mas 8% níquelconstituye un acero inoxidable. Y por eso no hay un acero sino múltiplesaceros.

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PROCESO DE PRODUCCIÓN Y OBTENCIÓN

El acero se fabrica partiendo de la fundición o hierro colado; éste es muyimpuro, pues contiene excesiva cantidad de carbono, silicio, fósforo y azufre,elementos que perjudican considerablemente la resistencia del acero y reducenel campo de sus aplicaciones.

La fabricación verdadera del acero se inició hacia 1856, cuando se introdujo enla siderurgia el empleo del convertidor Bessemer, consistente en un recipientede gran capacidad y de forma de pera, de paredes de hierro y fondo provisto denumerosos orificios, a través de los cuales se hacía llegar una potente corriente

de aire, que removía con violencia la masa de hierro colado fundido quellenaba el convertidor.

La reacción entre el oxígeno del aire y los componentes de la fundición eraviolentísima y tal el calor desarrollado dentro del convertidor que la masa de lafundición se mantenía líquida por sí misma. En la reacción indicada secombinaba la mayor parte del carbono, fósforo y azufre con el oxígeno del aireinsuflado, pero no se eliminaba el silicio, lo que constituía un graveinconveniente, razón por la cual no podían utilizarse los minerales de hierroricos.

Por otra parte, el primitivo convertidor Bessemer sólo podía utilizarse un re-ducido número de veces, pues la fundición líquida y la elevada temperaturaatacaban las paredes de hierro del aparato. Estos inconvenientes fueronsubsanados por el oficinista británico Thomas, quien logró afinar el hierrocolado revistiendo las paredes internas del convertidor Bessemer con unamezcla de greda y dolomita pulverizada (carbonato de calcio y magnesio), y almismo tiempo agregaba a la fundición un poco de cal viva, insuflando aire com-primido caliente por el fondo del aparato. El silicio y gran parte del manganesocontenidos en la fundición se queman con rapidez y el óxido de manganesoque se forma se combina con el silicio; el silicato manganoso funde con

dificultad y flota sobre la masa incandescente líquida en forma de escoria, elcarbonato arde a su vez y el fósforo se combina con la cal del revestimiento delconvertidor y se forma fosfato cálcico básico, el cual flota también en forma deescoria (escories Thomas) sobre la masa líquida, y de la cual se separa con lasescorias restantes. Posteriormente mejoraron el procedimiento de afinación delacero Martín, francés, y Siemens, alemán; que introdujeron en la siderurgia loshornos de sus respectivos nombres.

En estos hornos, calentaba la fundición o hierro fundido en una atmósfera degases y se le mezclan chatarra de acero viejo o de hierro dulce. Al alemánKrupp se le debe el método Industrial de obtención de aceros al crisol, que

consiste en refundir el acero Martín-Siemens dentro de grandes crisolesfabricados con una mezcla de arcilla, grafito, coque y carbón vegetal en polvo,donde el acero se afina y purifica más aún. Así se obtiene el acero fundido,

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empleado en la fabricación de herramientas de corte.

Más modernos aún son los aceros eléctricos, obtenidos en hornos eléctricos,en éstos se afina el acero obtenido en los hornos Martín-Siemens, y se lerecarbura con carbono puro o aglomerados de limaduras de hierro y carbón

vegetal.

Las propiedades del acero se modifican con relativa facilidad, calentándolo atemperatura próxima a 1.000 °C y sumergiéndolo con rapidez en agua, aceite omercurio fríos (temple) se aumenta su elasticidad; si, por el contrario, se le ca-lienta a elevada temperatura y se le deja enfriar lentamente (recocido) seobtiene acero menos elástico pero más tenaz y resistente al choque. El aceroes una aleación de hierro y carbono, esto, es, un carburo de hierro, por eso noexiste de él un tipo único; sus propiedades (tenacidad, elasticidad, etc.) varíansegún el contenido de carbono y la clase empleada en su fabricaciónmartensita, perlita, ferrita o hierro puro; también influye en él, el método

seguido en su fabricación existen aceros duros, rápidos (resistentes a la lima),etc., el acero es de gran importancia a causa de las múltiples aplicaciones querecibe. Se pueden modificar sus propiedades aleándolo con otros metales; deeste modo se obtienen los aceros especiales.Las piezas en bruto se transforman en PRODUCTOS TERMINADOS medianteel laminado, y algunos de ellos se someten a tratamiento térmico. Más de lamitad de las planchas laminadas en caliente son relaminadas en frío yeventualmente reciben un revestimiento de protección anticorrosión.

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Diagrama de la Obtención del Acero:

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CLASIFICACIÓN DEL ACERO

Los aceros se clasifican en cinco grupos principales: aceros al carbono, aceros

aleados, aceros de baja aleación ultra resistente, aceros inoxidables y acerosde herramientas.

ACEROS AL CARBONO: El 90% de los aceros son aceros al carbono. Estosaceros contienen una cantidad diversa de carbono, menos de un 1,65% demanganeso, un 0,6% de silicio y un 0,6% de cobre. Con este tipo de acero sefabrican maquinas, carrocerías de automóvil, estructuras de construcción,pasadores de pelo, etc.

ACEROS ALEADOS: Estos aceros están compuestos por una proporcióndeterminada de vanadio, molibdeno y otros elementos; además de cantidades

mayores de manganeso, silicio y cobre que los aceros al carbono. Estos acerosse emplean para fabricar engranajes, ejes, cuchillos, etc.

ACEROS DE BAJA ALEACIÓN ULTRA RESISTENTES: Es la familia deaceros mas reciente de las cinco. Estos aceros son más baratos que los acerosconvencionales debido a que contienen menor cantidad de materiales costososde aleación. Sin embargo, se les da un tratamiento especial que hace que suresistencia sea mucho mayor que la del acero al carbono. Este material seemplea para la fabricación de vagones porque al ser más resistente, susparedes son más delgadas, con lo que la capacidad de carga es mayor.Además, al pesar menos, también se pueden cargar con un mayor peso.También se emplea para la fabricación de estructuras de edificios.

ACEROS INOXIDABLES: Estos aceros contienen cromo, níquel, y otroselementos de aleación que los mantiene brillantes y resistentes a la oxidación.Algunos aceros inoxidables son muy duros y otros muy resistentes,manteniendo esa resistencia durante mucho tiempo a temperaturas extremas.Debido a su brillo, los arquitectos lo emplean mucho con fines decorativos.También se emplean mucho para tuberías, depósitos de petróleo y productosquímicos por su resistencia a la oxidación y para la fabricación de instrumentosquirúrgicos o sustitución de huesos porque resiste a la acción de los fluidos

corporales. Además se usa para la fabricación de útiles de cocina, comopucheros, gracias a que no oscurece alimentos y es fácil de limpiar.

ACEROS DE HERRAMIENTAS: Estos aceros se emplean para fabricar herramientas y cabezales de corte y modelado de maquinas. Contienewolframio, molibdeno y otros elementos de aleación que le proporcionan unaalta resistencia, dureza y durabilidad.

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PROCESOS Y ACABADOS

Existen distintos tipos de acabados para el acero, por lo tanto tiene una salidaal mercado de gran variedad de formas y de tamaños, como varillas, tubos,rieles de ferrocarril o perfiles en H o en T. Estas formas se obtienen en lasinstalaciones siderúrgicas laminando los lingotes calientes o modelándolos dealgún otro modo. El acabado del acero mejora también su calidad al refinar suestructura cristalina y aumentar su resistencia.

El método principal de trabajar el acero se conoce como laminado en caliente.En este proceso, el lingote colado se calienta al rojo vivo en un hornodenominado foso de termodifusión y a continuación se hace pasar entre unaserie de rodillos metálicos colocados en pares que lo aplastan hasta darle laforma y tamaño deseados. La distancia entre los rodillos va disminuyendo amedida que se reduce el espesor del acero.

El primer par de rodillos por el que pasa el lingote se conoce como tren dedesbaste o de eliminación de asperezas. Después del tren de desbaste, elacero pasa a trenes de laminado en bruto y a los trenes de acabado que loreducen a láminas con la sección transversal correcta. Los rodillos paraproducir ríeles de ferrocarril o perfiles en H, en T o en L tienen estrías paraproporcionar la forma adecuada.

Los procesos de fabricación modernos requieren gran cantidad de chapa de

acero delgada. Los trenes o rodillos de laminado continuo producen tiras yláminas con anchuras de hasta 2,5m. Estos laminadores procesan con rapidezla chapa de acero antes de que se enfríe y no puede ser trabajada. Las

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planchas de acero caliente de más de 10 cm de espesor se pasan por unaserie de cilindros que reducen progresivamente su espesor hasta unos 0,1 cmy aumentan su longitud de 4 a 370 metros. Los trenes de laminado continuoestán equipados con una serie de accesorios como rodillos de borde, aparatosde decapado o eliminación y dispositivos para enrollar de modo automático la

chapa cuando llega al final del tren.

El sistema de colada continua, en cambio, produce una plancha continua deacero con un espesor inferior a 5 cm, lo que elimina la necesidad de trenes dedesbaste y laminado en bruto.

TUBOS: Los tubos más baratos se forman doblando una tira plana de acerocaliente en forma cilíndrica y soldando los bordes para cerrar el tubo.

En los tubos más pequeños, los bordes de la tira suelen superponersey se pasan entre un par de rodillos curvados según el diámetro externodel tubo.

La presión de los rodillos es suficiente para soldar los bordes. Los tubos sinsoldaduras se fabrican a partir de barras sólidas haciéndolas pasar entreun par de rodillos inclinados entre los que está situada una barra metálicacon punta que perfora las barras y forma el interior del tubo mientras losrodillos forman el exterior.

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TRATAMIENTO TÉRMICO DE LOS ACEROS

El proceso básico de endurecimiento de los aceros consiste en calentar el

metal hasta una temperatura en la que se forma austenita, que suele ser entre750 y 850 ºC, y enfriarlo rápidamente sumergiéndolo en agua o aceite. Estetratamiento de endurecimiento forma martensita y crea grandes tensionesinternas en el metal. Para eliminar estas tensiones se emplea el recocido orevenido que consiste en recalentar la pieza a una temperatura menor. Coneste sistema se reduce la dureza y resistencia pero aumenta la ductilidad y latenacidad.

El objetivo principal del proceso de tratamiento térmico es, el de controlar lacantidad, tamaño, forma y distribución de las partículas de cementitacontenidas en una ferrita, determinando así las propiedades físicas del acero.

Hay muchas variaciones del proceso básico. Los ingenieros metalúrgicos handescubierto que el cambio de austenita a martensita se produce en la últimafase del enfriamiento y que este cambio esta acompañado de un aumento devolumen que en caso de que el enfriamiento sea demasiado rápido haceagrietarse al metal. Para evitar esto, se han desarrollado tres procesosdistintos.

TEMPLADO PROLONGADO: El acero se retira del baño de enfriamientocuando alcanza la temperatura en que comienza a formarse la martensita y seenfría lentamente mediante un chorro de aire.

El acero se retira del baño de enfriamiento en el mismo momento que en eltemplado prolongado y se coloca en un baño de temperatura constante hastaque alcanza una temperatura uniforme en su sección transversal. Acontinuación se enfría lentamente con aire desde los 300 ºC hasta latemperatura ambiente

AUSTEMPLADO: El material se enfría hasta la temperatura en la que se formala martensita y se mantiene a esa temperatura hasta que acaba el proceso. Acontinuación se enfría a temperatura ambiente.

Hay otros métodos de tratamiento térmico para endurecer el acero.

CEMENTACIÓN: Las superficies de las piezas de acero terminadas seendurecen al calentarlas con compuestos de carbono o nitrógeno.

CARBURIZACIÓN: La pieza se calienta manteniéndola rodeada de carbónvegetal, coque o gases de carbono.

CIANURIZACIÓN:  Se introduce el metal en un baño de sales de cianuro,logrando así que endurezca.

NITRURIZACIÓN: Se emplea para endurecer aceros de composición especialmediante su calentamiento en amoniaco gaseoso.

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METALES NO FERROSOS Y SUS ALEACIONES

OBTENCIÓN CARACTERÍSTICAS Y APLICACIONES.

Metales no ferrosos pesados.

Pertenecen a este grupo los metales como el cobre, estaño, plomo,níquel, cinc, cobalto, wolframio y cromo cuyas densidades son mayoresde 5 g/cm3.

 Metales no ferrosos ligeros.

Los más importantes son el aluminio y el titanio con densidadescomprendidas entre 2 y 5 g/cm3.

Metales no ferrosos ultraligeros.

Son el magnesio y el berilio.

1. Cobre.

Se trata de uno de los metales más antiguos empleados por el ser humano a lolargo de la historia. Los primeros vestigios de su utilización se remontan 5 000años antes de Cristo. Sin embargo, los procesos de obtención de cobre a

escala industrial sólo se producen a partir del siglo XIX.En la naturaleza, el cobre está presente en diversos minerales, como la cuprita,la calcopirita o la malaquita. En ocasiones, se puede hallar en estado casi puroen forma de cobre nativo.Proceso de obtenciónSegún la riqueza de los minerales empleados, se utilizan dos técnicas deobtención de cobre: la vía húmeda y la vía seca.- La vía húmeda se emplea cuando el contenido en cobre es bajo (entre el 3 %y el 10 % de riqueza). Consiste en disolver el material con ácido sulfúrico yrecuperar después el cobre mediante electrólisis.- La técnica más habitual de obtención de cobre bruto es la denominada vía

seca, aunque sólo puede utilizarse si la riqueza del mineral supera el 10 %.Obtención de cobre por vía seca:El mineral se somete a un proceso de trituración y molienda hasta reducirlo apolvo, después, se procede a la separación por flotación del mineral de cobre,éste sobrenada mientras la ganga se deposita en el fondo. El mineral húmedoes sometido a un proceso de tostación en un horno. En este proceso se eliminael azufre y se forman óxidos de hierro y de cobre.A continuación, el óxido de cobre sufre un proceso de calcinación en un hornode reverbero. Los óxidos de hierro se combinan con la sílice y forman la escoriamientras se produce la mata blanca (sulfuro de cobre).La mata se somete a un proceso de reducción en un convertidor similar a losempleados en siderurgia y se obtiene cobre bruto, mezclado con algo de óxidode cobre.Características y aplicaciones del cobre

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El cobre es un metal de color rojizo, relativamente blando, de conductividadeléctrica y térmica muy elevada, dúctil y maleable.Su elevada conductividad eléctrica sólo superada por la plata y su ductilidad lohacen especialmente indicado para la fabricación de cables eléctricos ybobinados.

El aire seco y el agua pura no lo atacan a ninguna temperatura y, por ello,suele utilizarse para la fabricación de tubos y calderas que se emplean enintercambiadores de calor y en las instalaciones domésticas.Sin embargo, es poco resistente a los agentes atmosféricos. El cobre, a laintemperie, se recubre de una capa de carbonato, de color verdoso,denominada cardenillo, que le protege de la oxidación posterior.Es medianamente resistente a la agresión de los ácidos. El ácido clorhídrico nole ataca en ninguna circunstancia. El ácido sulfúrico sólo consigue disolverlo sise trata de una disolución concentrada y caliente. En cambio, el ácido nítrico loataca fácilmente.Aleaciones de cobre

Por tratarse de un material relativamente blando, se alea con el aluminio(bronce de aluminio), el cinc (latones), el estaño (bronces) y con otros metalespara mejorar su dureza y su resistencia a la tracción.Bronce de aluminioEs una aleación formada por un 90 % de cobre y un 10 % de aluminio.Aumenta sensiblemente la dureza del cobre y es mucho más resistente a lacorrosión que cualquiera de los metales por separado.Por su resistencia frente a los agresivos químicos, se utiliza en la industria parala fabricación de equipos que están expuestos a líquidos corrosivos.LatonesSe denominan así las aleaciones de cobre con cinc y son conocidas desde laAntigüedad.El latón es menos resistente a los agentes atmosféricos que el cobre, perosoporta mejor el agua y el vapor. En la actualidad se emplea mucho parafabricar casquillos de ajuste de piezas mecánicas las aleaciones cobre - cincestán normalizadas y se añaden nuevos metales, como el estaño, el aluminio yel plomo, que mejoran sus propiedades mecánicas.Si se aumenta el porcentaje de cobre, mejora la moldeabilidad de la pieza.Añadiendo a la aleación pequeñas cantidades de estaño y aluminio, seconsigue mejorar su resistencia a la corrosión marina.Si se añade algo de plomo, mejora su capacidad de mecanizado.

BroncesSe denominan así las aleaciones de cobre con estaño o con cualquier otrometal, excepto el cinc.Los bronces, en general, son aleaciones de elevada resistencia mecánica ybuena resistencia a la corrosión, superior a la de los latones.Dependiendo de la presencia de otros metales en la aleación, se distinguen losbronces para forjar y los bronces para fundir.Los bronces para forjar poseen porcentajes muy bajos de otros metales. Tienengran resistencia a la tracción y al desgaste, y se emplean para fabricar chapas,flejes alambres y engranajes.Los bronces para fundir tienen magníficas cualidades para el deslizamiento. Si

se añade plomo a la aleación, ésta adquiere cualidades autolubricantes y seemplea para la fabricación de cojinetes.Existen bronces especiales, como los empleados para fabricar campanas, y

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objetos artísticos.

2. Aluminio

Constituye uno de los principales componentes de la corteza terrestre, de laque forma parte en una proporción del 8,13 %, sólo superada por el silicio, querepresenta un 28 %.Ambos elementos se presentan habitualmente combinados en forma desilicatos de aluminio, que no sirven como mena de este metal. Por esta razón,el aluminio era desconocido como material de uso industrial hasta el siglopasado.En 1821 se descubrió en Les – Baux – de Provence (Francia) el único mineraldel que es posible extraer aluminio en grandes cantidades: la bauxitaSe trata de óxido hidratado de aluminio mezclado con óxido de hierro y otros

materiales. Se presenta en masas compactas de diversos colores y puedellegar a contener hasta un 65 % de riqueza.La bauxita, una vez extraída, es sometida a un cuidadoso tratamiento paraobtener de ella el aluminio metálico.Proceso de obtenciónEn la actualidad, para la obtención de aluminio se emplea el denominadométodo Bayer, que consta de dos fases: la obtención de la alúmina y el afinoelectrolítico.Obtención de la alúminaEn primer lugar, se somete la bauxita a un proceso de molienda hastaconvertirla en polvo fino. Una vez molida, se mezcla con cal, sosa cáustica y

vapor de agua sobrecalentado. De este modo, se produce la disolución delóxido de aluminio en la sosa.Las impurezas del mineral, que permanecen en estado sólido sin disolverse, seeliminan por decantación.Posteriormente, se añade agua a la disolución para provocar la precipitacióndel óxido de aluminio y separarlo de la sosa en la que estaba disuelto. Elproducto así obtenido recibe el nombre de alúmina.La alúmina se somete después a un proceso de calcinación a 1 200ºC, paraeliminar el exceso de agua.Afino electrolíticoLa alúmina se funde con criolita (sustancia encargada de protegerla de laoxidación) y se somete a un proceso electrolítico que separa el aluminio deloxígeno.El oxígeno forma monóxido y dióxido de carbono y se desprende, mientras queel aluminio puro va depositándose en estado fundido en el fondo de la cuba, dela que se extrae por medio de una cuchara.Esta fase consume mucha energía. Para obtener una tonelada de aluminio serequieren de 17 000 a 24 000 kWh.CaracterísticasEl aluminio es un metal de color plateado, muy blando, de baja densidad,conductividad eléctrica alta y muy dúctil y maleable.

Puede ser laminado tanto en frío como en caliente. Mediante laminación encaliente, pueden obtenerse chapas de diferente grosor, hasta un mínimo de 5mm. Si se lamina en frío, las planchas llegan a tener hasta 0,005 mm. deespesor (papel de aluminio).

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Mediante procesos similares a los empleados con el cobre, se obtienen perfilesde diversos tipos, como tubos, barras e hilos.Presenta una elevada afinidad por el oxígeno, lo que hace que su superficie seoxide rápidamente. Sin embargo, la capa de óxido que se forma del orden decentésimas de micra es totalmente compacta e impide la oxidación posterior 

del resto de la masa metálica.La resistencia a la corrosión puede ser mejorada mediante una técnicadenominada anodizado. Consiste básicamente en hacer actuar el aluminiocomo ánodo en una cuba electrolítica, con lo que se consigue que éste serecubra de una fina película que lo protege de la corrosión.Su principal inconveniente radica en que resulta difícil de soldar, debido a lacapa de óxido. Para conseguir esta forma de unión hay que utilizar una pistolade soldadura eléctrica, provista de un electrodo de volframio que permiteinyectar el gas inerte argón para evitar la oxidación durante el proceso.Aplicaciones del aluminioPor tratarse de un material muy blando, para su uso industrial se mezcla con

otros metales, como el cobre, el magnesio, el silicio, el níquel y el cobalto, entreotros. Se obtienen así las denominadas aleaciones ligeras, en las que elaluminio puro está presente en proporciones que oscilan entre el 85 y el 99 %.Todas ellas mejoran las cualidades del aluminio en cuanto a dureza, resistenciamecánica y facilidad para el mecanizado con arranque de viruta.La aleación con cobre se conoce con el nombre de duraluminio (95,5 % Al y 4,5% Cu) y se emplea en la construcción.La aleación de aluminio -magnesio se utiliza para la fabricación de estructurasresistentes en las industrias aeronáutica y naval. También se emplea en lafabricación de automóviles y bicicletas.La aleación de aluminio -silicio permite obtener una fundición inyectable, que seemplea en la construcción de motores.La aleación con níquel y cobalto, se utiliza para fabricar imanes permanentes.Por su baja densidad y su conductividad relativamente alta, el aluminio seemplea como sustituto del cobre en cables de conducción eléctrica de granlongitud. No obstante, para evitar fracturas, estos cables suelen llevar alma deacero.Gracias a la fina capa de óxido que lo protege, resulta especialmente útil en lafabricación de utensilios de cocina.

3. Plomo

Como ocurría con el cobre, el plomo es uno de los metales conocidos yempleados por el ser humano desde hace más de 4000 años. Existen vestigiosde su utilización en las civilizaciones de Oriente Medio, aunque parece ser quefueron los griegos quienes consiguieron aislar plomo metálico por primera vezhacia el año 550 a. C. Sin embargo, hubo que esperar al siglo XIX para queeste metal comenzara a utilizarse a escala industrial.La principal mena de plomo es la galena, compuesta básicamente por sulfurode plomo, al que acompañan otros metales, como el cobre, la plata o el oro. Esun mineral de color gris metálico, blando, pesado y muy frágil.

Proceso de obtenciónLa obtención industrial de plomo consiste básicamente en reducir la galena yseparar el plomo de los metales que lo acompañan.El proceso consta de tres fases: tostación, fusión y afino.

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En la fase de tostación, la galena se mezcla con sílice, caliza y materialfundente, y se calienta en presencia de aire hasta que el sulfuro de plomo seconvierte en óxido.En la fase de fusión, se utiliza un alto horno, similar a los empleados ensiderurgia. El óxido de plomo se mezcla con coque, caliza y fundente, y se

insufla una corriente de aire. El carbón reduce el óxido de plomo y forma plomometálico impurificado con otros metales los demás componentes funden con lacaliza y forman la escoria.En la fase de afino, se procede a la separación de los metales que acompañanal plomo, mediante diferentes tratamientos, se eliminan sucesivamente elcobre, el arsénico, el antimonio, el estaño, la plata y el cinc, algunos de ellospueden ser recuperados por tratamientos posteriores.Mediante este procedimiento se obtiene plomo bruto, todavía parcialmenteimpurificado.Si se desea obtener plomo electrolítico, hay que someterlo a un proceso similar al del cobre. En este caso, el ánodo está formado por planchas de plomo bruto

y el cátodo por láminas de plomo puro.La corriente eléctrica provoca la emigración del plomo desde el ánodo hasta elcátodo. De los barros electrolíticos que se depositan en el fondo se puedenrecuperar la plata y el oro.CaracterísticasEl plomo es un metal de color gris plateado, muy blando, de densidad elevada,baja conductividad eléctrica y térmica, flexible y maleable, puede ser laminadoen frío, pero no estirado en hilos, ya que es muy poco dúctil y no resiste latracción.Presenta afinidad por el oxígeno, lo que hace que su superficie de corte,inicialmente brillante, se oxide en contacto con el aire y pierda el brillo. Comoen otros casos, la capa de óxido impide que el proceso se propague al interior de la masa metálica.Es particularmente resistente a la corrosión provocada por los ácidos fuertes,como el clorhídrico, el sulfúrico o el nítrico. Por el contrario, es atacado por lamayoría de los ácidos orgánicos débiles, como el ácido acético.En estado puro, se trata de un material extraordinariamente blando. Puederayarse con la uña y absorbe muy bien las vibraciones, Por este motivo, nosuena cuando se le golpea.Aplicaciones del plomoSu elevada densidad lo hace opaco a las radiaciones electromagnéticas, por lo

que se utiliza como escudo protector en instalaciones médicas de radiología yen centrales nucleares.Tradicionalmente se ha empleado para fabricar tuberías, pero, en la actualidad,ha sido reemplazado con ventaja por otros materiales.Por su particular comportamiento frente a los ácidos, se utiliza para fabricar recipientes que hayan de contenerlos, como las baterías y los acumuladoreseléctricos. En cambio, nunca debe emplearse como envase de productosalimenticios.Se usa como aditivo en la industria del vidrio, al que confiere mayor peso ydureza. Esta característica le hace especialmente útil en la industria deproducción de lentes.

Las aleaciones de estaño y plomo se utilizan como material de aportación en ladenominada soldadura blanda. Si se le añade algo de antimonio, se le confieremayor dureza.

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El plomo constituye un peligroso veneno mineral, ya que el organismo humanoes incapaz de eliminarlo la intoxicación por plomo y sus derivados sedenominan saturnismo y produce intensos dolores intestinales, cefaleas,alucinaciones e hipertensión arterial.Esta enfermedad puede contraerse de diversos modos: por vía respiratoria, si

se inhalan vapores procedentes de los procesos industriales o de lacombustión de sustancias que contienen plomo; por vía digestiva, al ingerir sustancias que contienen sales de plomo disueltas; o por vía cutánea, si unaherida entra en contacto con sustancias que contienen plomo.Actualmente, el saturnismo está prácticamente erradicado, gracias a lasmedidas de seguridad e higiene que se han ido implantando progresivamente.Buena muestra de ello es el proceso actual de sustitución de las gasolinastradicionales por gasolinas sin plomo o la prohibición absoluta de utilizar envases de plomo en productos alimenticios.

4. EstañoAunque es conocido desde la antigüedad, durante mucho tiempo se leconsideró como una variante del plomo.Se extrae básicamente de un mineral denominado casiterita, que contieneóxido de estaño. Sin embargo, su riqueza en estaño es tan baja que a menudoes necesario tratar hasta una tonelada de mineral para conseguir 200 g demetal puro.Proceso de obtenciónDada su baja riqueza en estaño, es necesario concentrar previamente elmineral. Para ello, se tritura y se lava con el fin de separar la ganga, luego sesomete a un proceso de tostación para eliminar los sulfuros que pueda

contener.Finalmente, el óxido de estaño se reduce en un horno de reverbero, utilizandoantracita. El estaño fundido se recoge en el fondo del horno y se moldea enbloques.El proceso de afino se lleva a cabo en una cuba electrolítica. En este caso, elánodo está formado por planchas de estaño bruto y el cátodo, por láminas deestaño puro.CaracterísticasEl estaño es un metal de color blanco brillante, muy blando, de estructuracristalina, poco dúctil pero muy maleable.Su estructura cristalina se pone de manifiesto al doblar una barra de estaño, se

escucha un ruido característico, denominado grito del estaño, producido por elrozamiento de los cristales entre sí.Puede ser laminado en finas planchas, que forman el papel de estaño.Es muy estable y resistente a los agentes atmosféricos a temperaturaambiente, aunque puede ser atacado con ácidos y productos alcalinos.Aplicaciones del estañoEl papel de estaño fue utilizado antes de la Segunda Guerra Mundial comoembalaje de alimentos. En la actualidad ha sido sustituido con ventaja por elpapel de aluminio, por su menor costo económico.Por su resistencia a la oxidación, casi la mitad de la producción mundial deestaño se emplea como recubrimiento electrolítico de otros metales, por ejemplo, el acero. De este modo se obtiene la hojalata.Como ya se ha indicado, constituye un elemento imprescindible en multitud dealeaciones:

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• Los diversos tipos de bronces, en los que participa en proporciones inferioresal 25 %.• El denominado metal blanco (aleación de cobre, estaño y plomo), empleadoen la fabricación de cojinetes.• Las aleaciones fusibles, utilizadas para construir componentes eléctricos de

control, y la soldadura blanda, formada a base de estaño y plomo.

5. Cinc

El zinc es un metal, a veces clasificado como metal de transición aunqueestrictamente no lo sea, que presenta cierto parecido con el magnesio y elberilio y los elementos de su grupo. Este elemento es poco abundante en lacorteza terrestre pero se obtiene con facilidad. Es un elemento químicoesencial.

Es un metal de color blanco azulado que arde en aire con llama verde azulada.El aire seco no le ataca pero en presencia de humedad se forma una capasuperficial de óxido o carbonato básico que aísla al metal y lo protege de lacorrosión. Prácticamente el único estado de oxidación que presenta es el +2.En el año 2004 se publicó en la revista Science el primer y único compuestoconocido de zinc en estado de oxidación +1, basado en un complejoorganometálico con el ligando pentametilciclopentadieno. Reacciona conácidos no oxidantes pasando al estado de oxidación +2 y liberando hidrógeno ypuede disolverse en bases y ácido acético

El metal presenta una gran resistencia a la deformación plástica en frío que

disminuye en caliente, lo que obliga a laminarlo por encima de los 100°C. No sepuede endurecer por acritud y presenta el fenómeno de fluencia a temperaturaambiente al contrario que la mayoría de los metales y aleaciones y pequeñascargas provocan deformaciones no permanentes.

Parece ser que los primeros en obtener este metal en estado puro fueron lospersas, hacia el siglo V a C., pero la palabra cinc fue utilizada por primera vezpor Paracelso a mediados del siglo XVI para designar un material que venía deOriente. Sin embargo, hasta 1758 no se desarrolló un proceso industrial deobtención de cinc a partir de los minerales en los que se encuentra.Su mena principal es la blonda, que es una mezcla de sulfuros de cinc y plomo,

con un porcentaje de riqueza superior al 50 %. Otros minerales de cinc son lacalamina smitinsonita, que es carbonato de cinc, y la calamina willemita, que essilicato hidratado de cinc. En ellos, la proporción de cinc no supera el 50 %.Proceso de obtenciónLa metalurgia del cinc está frecuentemente asociada a la del plomo en ladenominada vía seca. En este proceso se somete el mineral a una fase detostación para obtener óxido de cinc y, después, se reduce el óxido en unhorno de retorta con ayuda de carbón. El metal obtenido puede afinarseposteriormente por procedimientos electrolíticos.La vía húmeda, más reciente, consiste en tratar el mineral triturado con unadisolución de ácido sulfúrico. El cinc se disuelve en forma de sulfato de cinc ylas impurezas precipitan. La disolución se trata más tarde por métodoselectrolíticos para recuperar el cinc.Características

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El cinc es un metal de color gris azulado, brillante, frágil en frío y relativamenteblando.Es inalterable al aire seco, pero el aire húmedo lo oxida y hace que pierda subrillo. La capa de óxido que lo empaña lo protege de una oxidación másprofunda. No resiste la acción de los ácidos ni de los agentes alcalinos

Aplicaciones del cincDebido a su resistencia, se ha utilizado tradicionalmente en forma de planchaspara cubiertas, cañerías y canalones.Forma parte de algunas aleaciones importantes, como los latones, los broncesy la alpaca (aleación de cobre, níquel, cinc y estaño).Su principal aplicación es el recubrimiento de piezas de hierro y acero mediantelos procesos de galvanizado.- Mediante el galvanizado electrolítico se consigue recubrir las piezas con unadelgada capa de cinc, de 10 o 12 p, que las protege de la corrosión. Resultacostoso por su gran consumo energético.- El galvanizado en caliente consiste en sumergir las piezas que se desea

recubrir en un baño de cinc fundido durante un corto período de tiempo. Conello se consigue una capa de recubrimiento de 50 a 60 p, con un costeenergético unitario mucho menor. Este procedimiento se emplea actualmentepara proteger las estructuras que han de quedar a la intemperie, como farolassemáforos, torres de alta tensión, verjas y vallas protectoras de las carreteras.

6. Níquel

Aunque en la antigüedad ya se acuñaban monedas con aleaciones de cobre yníquel, este metal fue descubierto y aislado en 1751 por el químico sueco Axe

F. Cronstecit. Su aprovechamiento industrial, como el de la mayoría de losmetales, data de finales del siglo XIX.Los principales minerales de los que se obtiene el níquel son la niquelita, quees una mezcla de sulfuros de hierro, níquel y cobre, y la ganierita, un silicatohidratado de níquel y magnesio. Su riqueza en metal nunca sobrepasa el 6 %.

Proceso de obtenciónPara obtener níquel metálico se sigue un proceso similar al del cobre: primero,se tritura y muele el mineral y se separan los sulfuros por flotación, después, setuesta la mezcla hasta obtener la mata de óxido de níquel; posteriormente, sereduce éste con carbono y, finalmente, se afina el metal por métodoselectrolíticos, utilizando ánodos de níquel impuro y cátodos formados por láminas de níquel puro.CaracterísticasEl níquel es un metal de color blanco brillante, medianamente duro, tenaz,dúctil y maleable. Junto con el hierro y el cobalto, forma el grupo de materialesferromagnéticos.Es muy resistente a la corrosión, tanto de los agentes atmosféricos, como delos ácidos y las sustancias alcalinasAplicaciones del níquelDebido a su gran resistencia a la corrosión, se emplea en la industria

alimenticia y en la química para el revestimiento electrolítico de chapas deacero dulce. Este método se denomina niquelado.Rara vez se utiliza en estado puro. Es más frecuente encontrarlo formandoaleaciones con el cobre, el hierro, el cromo, el volframio y el manganeso, a las

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que confiere un carácter inoxidable.Las aleaciones que contienen níquel se clasifican según el porcentaje de estemetal, entre las de alto porcentaje en níquel, en las que éste llega a alcanzar hasta el 80 %, destacan la aleación con hierro, al que confiere gran resistenciaa la corrosión y mejora sus propiedades magnéticas; el nicrom, utilizado para

fabricar resistencias eléctricas por su alta resistividad; y el invar empleado enrelojería por su coeficiente de dilatación prácticamente nulo.En las aleaciones de bajo contenido en níquel, su porcentaje no supera el 15%. Suele alearse con hierro y acero por las características mecánicas de éstosy por facilitar los tratamientos de templado.Los materiales que se obtienen resultan muy resistentes a la acción de losagentes atmosféricos y de los agresivos químicos, por lo que suelen emplearsepara fabricar utensilios de cocina, material quirúrgico y de laboratorio, yacumuladores de energía eléctrica.

7. CromoFue descubierto en 1797 por el químico francés Louis N. Vauquelin(1763-1829) tras analizar un mineral encontrado en Siberia. Su nombre derivadel griego chroma (color) por formar compuestos de vivos colores.La principal fuente de cromo es un mineral denominado cromita que es uncompuesto de hierro y cromo, cuya riqueza es tan sólo de 100 ppm (partes por millón).Proceso de obtenciónPara extraer el cromo, se utiliza el método Goldschmidt, que consiste enreducir la cromita por tostación empleando aluminio en polvo. De este modo se

consigue un material parcialmente impurificado con hierro, denominadoferrocromo.Si se desea obtener el metal en estado muy puro, se le somete a un procesode afino electrolítico, partiendo de una disolución de ácido crómico yempleando un ánodo de plomo.CaracterísticasEl cromo es un metal de color blanco brillante, muy duro, frágil y de estructuracristalina. Es muy resistente a la oxidación y la corrosión, y soporta bien lasaltas temperaturas conservando su aspecto brillante.Aplicaciones del cromoPor su gran resistencia a la corrosión debida a los agentes atmosféricos y aotros agentes químicos, se emplea frecuentemente para recubrimientoelectrolítico de otros metales, técnica que recibe el nombre de cromado.Sin embargo, esta capa resulta muy porosa y quebradiza, dado el carácter frágil del cromo. Por ello, el metal debe recubrirse primero de una capa decobre o níquel y, posteriormente, se deposita la de cromo.El acero al cromo es una aleación de extraordinaria utilidad industrial, ya quese emplea en la fabricación de cigüeñales y rodamientos por su gran dureza,tenacidad y resistencia a la tracción. También se utiliza en blindajes ymaquinaria de corte.Constituye, junto con el níquel, otro de los aleantes básicos de los

denominados aceros inoxidables y de los empleados en la fabricación deresistencias eléctricas.Sus compuestos se utilizan en la obtención de pigmentos colorantes.El cromo en estado puro no es tóxico, pero sí sus compuestos, los cromatos,

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que se absorben por vía cutánea y vía respiratoria, producen trastornosdigestivos, úlceras e irritaciones de la piel muy dolorosas.La intoxicación por derivados del cromo se considera una enfermedadprofesional.

8. Volframio

En 1781, el químico de origen alemán Carl W. Scheele indicó que en el mineraldenominado tungstene (piedra pesada, en alemán) existía una sustancia hastaentonces desconocida, a la que se le denominó tungsteno.El metal fue aislado por primera vez en 1783 por los españoles J José y FaustoElhuyar a partir de la wolframita. Se le llamó entoric volframio y ambos nombreshan persistido hasta la actualidad.El mineral básico del que se extrae el volframio es precisamente la wolframita,sustancia que además contiene hierro y manganeso y de la, que España es elprincipal productor europeo.

Proceso de obtenciónPara extraer el elemento de su mina, se funde ésta con carbonato de sodioobteniéndose volframato de sodio, Na2WO4. El volframato de sodio soluble seextrae después con agua caliente y se trata con ácido clorhídrico paraconseguir ácido volfrámico, H2WO4. Este último compuesto, una vez lavado ysecado, forma el óxido WO3, que se reduce con hidrógeno en un hornoeléctrico. El fino polvo obtenido se recalienta en moldes en una atmósfera dehidrógeno, y se prensa en forma de barras que se enrollan y martillean a altatemperatura para hacerlas compactas y dúctiles.De este modo se obtiene polvode volframio, que, después, se recalienta para sinterizarlo, compactarlo, forjarloy laminarlo.

CaracterísticasEl wolframio es un metal de color gris acerado, muy duro y pesado y de buenaconductividad eléctrica.Por su dureza, resulta difícil de mecanizar. Aunque es muy dúctil, para obtener hilos de este metal se necesita emplear hileras de diamante.Resiste la acción de los ácidos y los álcalis, aunque es atacado por el cloro.Tiene el punto de fusión más alto de todos los metales.Aplicaciones del wolframioPor su elevada ductilidad puede estirarse en hilos de hasta 0,01 mm. Dediámetro, su buena conductividad eléctrica y su elevado punto de fusión,resulta especialmente apropiado para fabricar filamentos de lámparas deincandescencia y para resistencias de hornos eléctricos.Asociado con el carbono, forma carburo de wolframio, de extraordinaria dureza.Esta sustancia se emplea en la fabricación de herramientas de corte y dematrices para trabajos en caliente, con los nombres de widia y estelitarespectivamente.Junto al cromo, el níquel y el cobalto, se emplea como aleante para obtener aceros imantados.En materiales aglomerados, se asocia al titanio y al tántalo para fabricar herramientas de corte rápido. Sin embargo, debido a la dureza del material,estas herramientas resultan frágiles y deben emplearse en máquinas con bajas

vibraciones.

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9. Mercurio

Dada su característica de metal líquido a temperatura ambiente, es conocido yutilizado desde tiempo inmemorial. El primero en obtenerlo en estado puro fue

Teofrasto de Ereso, en el 320 a. C. los griegos lo denominaron hidro argiros esdecir, plata líquida, de donde deriva su nombre latino hidrargirum.Los alquimistas de la Edad Media no lo consideraban un metal sino la esenciade todos los metales.Su principal mena es el cinabrio, mineral de coloración rojiza característicaconstituido por sulfuro de mercurio. En el seno de las grandes masas demineral puede encontrarse a veces mercurio nativo en estado líquido.Los yacimientos más ricos del mundo se encuentran en Almadén (CiudadReal), aunque el principal país productor de mercurio es Italia.Proceso de obtenciónEl tratamiento del mineral para la obtención del mercurio líquido es io se

somete a un proceso de tostación en presencia de aire. El mercurio se volatilizay sus vapores son conducidos a dispositivos de condensaciónherméticamente cerrados donde el mercurio se condensa y se recoge enestado líquido.CaracterísticasEl mercurio es un líquido de color plateado y brillante, de densidad muyelevada, buen conductor de la electricidad y con un elevado coeficiente dedilatación térmica.Es capaz de disolver casi todos los demás metales, excepto el hierro, el níquel,el molibdeno y el tungsteno. Con éstos, no forma disolución, sino amalgamasamasables a temperatura ambiente que se endurecen con el tiempo.

Aplicaciones del mercurioSe emplea para fabricar termómetros y barómetros, ya que su dilatación esuniforme a cualquier temperatura.Las amalgamas de mercurio con otros metales se utilizan en odontología comoempaste de dientes.Modernamente se emplea en electricidad para fabricar lámparas fluorescentesa base de vapor de mercurio y pilas de botón de elevado rendimiento y tamañoreducido.Como ocurre con el plomo, el mercurio es muy venenoso, ya que el organismoes incapaz de eliminarlo. Por su bajo punto de ebullición, puede producir vapores extraordinariamente peligrosos, pues la principal vía de intoxicación esla respiratoria y se manifiesta con ulceraciones de las encías, ennegrecimientode los dientes, vómitos, diarreas, temblores, etc.

10. Titanio

Fue descubierto en 1791 por el británico William Gregory aunque fue elaustríaco Martin Klaproth el que, tres años más tarde, le dio el nombre detitanio (del latín titan que significa 'hijo de la Tierra').Se encuentra en casi todas las rocas de origen volcánico que contienen hierro.Su mineral más común es el rutilo que es dióxido de titanio criolizado. Tambiénse obtiene de la limenita, un compuesto de titanio y hierro.

Proceso de obtención Industrial del titanio

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El procedimiento más utilizado en la industria consiste en la cloruración otransformación del óxido en tetracloruro de titanio, TiCl, a temperatura elevada.Una vez condensado y purificado, este compuesto es reducido en atmósferainerte en un reactor y se obtiene la denominada esponja de titanio.Posteriormente, la esponja se funde en un horno eléctrico y se obtienen los

lingotes de metal.CaracterísticasEl titanio es un metal de color blanco plateado, brillante, ligero, muy duro y degran resistencia mecánica.Se oxida parcialmente y es atacado por los ácidos fuertes, pero soporta muybien la corrosión de los agentes atmosféricos.Aplicaciones del titánicoPor su densidad relativamente baja y su resistencia mecánica, se utiliza para laconstrucción del fuselaje de aviones, cohetes y lanzaderas espaciales, ya quesus aleaciones resultan más duras que las del aluminio, a igualdad de peso.Está también presente en las aleaciones de algunos aceros ordinarios y de los

inoxidables.Sus aleaciones resultan particularmente duras y resistentes. El carburo detitanio, especialmente refractario, se utiliza en la fabricación de aletas deturbinas, en la industria aeroespacial y en herramientas de corte.Mezclado con carburo de volframio y añadiendo algo de cobalto y níquel, seemplea en la fabricación de hileras de extrusión y muelas de afilado.

11. Magnesio

Aunque sus compuestos están muy difundidos por la naturaleza, no se

encuentra en estado libre y por ello era desconocido hasta el siglo XVIII En1808, el químico británico Humphry Davy aisló el metal impuro, al quedenominó magnesium.Sus compuestos más comunes son silicatos de magnesio, como el talco, elasbesto. El cloruro de magnesio se encuentra disuelto en el agua de mar.Proceso de obtenciónSe puede obtener por dos procedimientos: por tratamiento térmico y por electrólisis.El tratamiento térmico se aplica a los silicatos y carbonatos de magnesio.Consiste en someterlos a elevadas temperaturas en un horno eléctrico juntocon agentes reductores del oxígeno. De este modo se libera el magnesiometálico.La electrólisis se aplica al cloruro de magnesio fundido. Éste se coloca en unacuba que hace de cátodo y en la que se introduce una barra de carbón quehace de ánodo. El magnesio liberado en estado de fusión, como es menosdenso que el cloruro, queda flotando sobre éste, se retira por medio de unacuchara y se vierte en moldesCaracterísticasEl magnesio es un metal de color blanco brillante, muy ligero, blando, maleabley poco dúctil. Es inalterable en aire seco, pero la humedad provoca la apariciónde una capa de carbonato muy porosa que no protege al metal, de modo que,

con el tiempo, llega a corroerse por completo.Tiene gran afinidad por el oxígeno, con el que reacciona de manera muy rápidacuando está finalmente pulverizado.Aplicaciones del magnesio

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Su combustión casi explosiva determinó su utilización como flash de lasantiguas cámaras fotográficas. En la actualidad, esta propiedad se emplea enlámparas relámpago y en pirotecnia.Se utiliza como agente reductor para obtener otros metales, como el titanio, elcirconio el tántalo y el uranio, a partir de sus cloruros.

Por su densidad extraordinariamente baja, forma aleaciones ultraligeras (dedensidad inferior a 2 000 kg/m3) con otros metales, como el manganeso, elcinc y el aluminio. Éstas se emplean en la industria aeronáutica y en lafabricación de bicicletas, automóviles y motocicletas de competición.Según su composición, las aleaciones ultraligeras se clasifican en aleacionespara fundición y aleaciones para forja. Entre estas últimas destacan la aleaciónmagnam (1 % a 2 % de manganeso), la magzin (2 % a 3 % de cinc) y la magal(7 % a 9 % de aluminio).

MODELOS PARA FUNDICIÓN

Los modelos son herramientas principales mediante las cuales los fundidoreshacen las piezas coladas. Aun cuando se desee hacer una sola pieza, seránecesario contar con un modelo al cual en la generalidad de las veces será útilpara fabricar una mayor cantidad de piezas. El contar con un modelo apropiadose convierte en la primera etapa de la elaboración de piezas coladas.

Puede definirse un modelo como una replica de la pieza que se desea obtener.Al diseñador hay que hacerle conocer la disminución de las dimensionesocasionadas por la contracción de la pieza al enfriarse, la rugosidad de lassuperficies por la calidad de la arena y los alojamientos para los machos. Los

pesos de los modelos pueden variar entre unos granos y 50 ó 60 ton. De ahíque los tamaños de los modelos son muy variados.

MATERIALESPARA LA CONSTRUCCIÓN DE MODELOS

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El número de piezas a realizarse con un modelo determinará el criterio deselección del material del mismo, que puede ser madera, metal, poli estileno,plástico, resina epóxica, cera o bien mercurio congelado.Sin duda que la vida útil del modelo y su precisión son factores que influyentambién para la selección del material.

Para moldear 10 veces o más, con un mismo modelo conviene hacerlometálico (de aluminio o aleaciones de aluminio) que resisten mas el desgaste.Puede fabricarse también de bronce o de hierro gris ya que a veces eldesgaste es excesivo cuando se tienen que calentar, como en el caso delmodelo en cáscara.

Maderas:Se tienen dos tipos de maderas:

Duras: Maple, Encino y Ébano

Blandas: Pino blanco, cedro, caoba y abeto.

La utilización de cada uno de estos tipos de maderas esta en función de lacantidad de piezas que se fabricarán con el modelo. Las maderas duras tienenuna magnífica resistencia a la abrasión, sin embargo como inconvenientes setienen su fragilidad y la dificultad para ser trabajadas. Toda madera que seemplee para la fabricación de modelos, deberá estar perfectamente sazonadao estofada y almacenarse para impedir la reabsorción de agua.Es extremadamente importante mantener la humedad en la madera, es unvalor bajo y constante para impedir el alabeo, el hinchamiento y las costosas

reparaciones que tengan que hacerse a los modelos, durante su uso y aúnantes, en lo que toca a corrección dimensional. Los modelos sueltos songeneralmente de construcción de madera. Las placas modelo se construyen enocasiones de modelos de madera, montados en una placa metálica o en otrascompletamente de madera, aun cuando lo más recomendable es hacerlascompletamente de metal. Los modelos maestros si son hechos generalmentede madera.

Metales utilizados para modelos.

Los metales más usuales en la fabricación de modelos son: Hierro colado,

bronce, aluminio y magnesio; en ocasiones se utilizan también aleacionesplomo-bismuto.Considerándose el sistema de moldeo en verde, a máquina y dependiendo deltipo de aleación en el metal, se tienen las siguientes cantidades prácticas delnúmero de moldes que pueden hacerse a partir de modelos de diferentesmetales, sin que estos sufran deformaciones que excedan del 0.010 pulg.

Hierro colado 90,000 a 140,000 moldes Bronce 70,000 a 120,000 moldes Aluminio 40,000 a 110,000 moldes Magnesio 50,000 a 70,000 moldes Compuestos más de 110,000 moldes

Considerando las cifras antes mencionadas, se recomienda la utilización delhierro colado por su resistencia a la abrasión, a la deformación y alojamiento.En lo que respecta al aluminio, existe una variedad grande de aleaciones de

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este metal que puedan utilizarse para fabricar modelos que son el duraluminio,alto silicio, etc.

Plásticos

Los más usuales en la fabricación de modelos son las resinas epóxicas y laresina poliéster reforzada con fibra de vidrio. Otros son los plásticos acrílicos, elpolietileno, el estireno, el acetato. La resistencia a los agentes químicos, sumoldeabilidad y propiedades a la abrasión hacen de la fibra de vidrio y de lasresinas epóxicas un material muy adecuado para la fabricación de modelos.Algunos modelos hechos con esta resinas resisten hasta 40,000 moldeadas sinpresentar alteraciones dimensiónales.

OtrosSe tienen materiales como la cera, el yeso, el concreto refractario, el barro y elmás moderno la espuma plástica. El uso de cada uno de estos materiales es

bastante específicos y depende del tipo, tamaño y de la cantidad de piezas por hacerse.

TIPOS DE MODELOS

Existen varios tipos de modelos los cuales se utilizan, dependiendo de losrequerimientos en cuanto al tipo, tamaño y peso de la pieza a fabricar, elvolumen de producción, la fundición y las facilidades de fabricación:

Modelos sueltos. Modelos sueltos con sistema de colada incorporada.

Modelos placa modelo. Modelos especiales Modelo con caja de corazones.

MODELOS SUELTOS

Pueden considerarse a este tipo de modelos con acoplamiento simple de laspiezas a fabricarse en las cuales se han incorporado las tolerancias y las

plantillas de los corazones. Cuando se utilizan este tipo de modelos la línea departición del molde debe hacerse a mano. El sistema de coladas y alimentacióntambién se hace a mano y finalmente la separación de modelo y molde seefectúa también manualmente teniendo necesidad de aflojar previamente elmodelo para poder separarlo del molde, consecuentemente en ese momentose tiene una variación dimensional. Aún cuando la utilización de este tipo demodelo es cosa común en nuestro medio, en la mayoría de los casos podríaeliminarse su utilización, ya que la producción de moldes que se obtiene esbaja y costosa.

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MODELOSSUELTOS CON SISTEMA DE COLADA INCORPORADO

.Son una mejora de los modelos simples, ya que siendo el sistema de coladaparte del modelo, elimina la necesidad del trabajo a mano para hacer dichosistema. Con este tipo de modelos se obtiene una más rápida elaboración demoldes para pequeñas cantidades de piezas.

CONSIDERACIONES SOBRE LOS TIPOS DE MODELOS 1 Y 2. En piezas coladas de forma sencilla tales como bloques rectangulares,

cilíndricos para bujes, etc., es posible tener modelos con una superficieplana en la parte superior y por lo tanto con una línea recta de partición

en la junta entre las partes superior e inferior del molde. Las peculiaridad de diseño de algunas piezas hacen imposible tener una

superficie de partición plana y así los modelos que se utilizan para hacer los moldes requieren la utilización de tarimas o camas especiales demadera, aluminio o de arena.

Cuando se requiere hacer una cantidad considerable de piezas conmodelos de línea de partición irregular, es ventajoso tener el modelohecho en dos partes, partiendo en una superficie plana para facilitar elmoldeo.

La parte superior y la inferior se unen exactamente con pernos ya sea demadera o de metal. Un modelo del tipo mencionado, requiere más tiempo ymás dinero para su fabricación, pero el costo adicional se justifica por el ahorroobtenido en el tiempo de elaboración de los modelos.

MODELOS PLACA MODELO

La producción de cantidades grandes de piezas pequeñas, requiere el uso deeste tipo de modelos. En estos la parte superior y la parte inferior del modeloestán montadas en los lados opuestos de una placa de metal o de madera quesiguen la línea de partición. Las placas modelo también se hacen de una sola

pieza, caso en el cual tanto la placa como los modelos se hacen colados enmoldes de arena o de yeso, en este caso se llaman placas modelo integrales.El sistema de colada generalmente va incorporado en la misma placa. Placamodelo generalmente se utilizan en máquinas de moldeo para obtener máxima

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velocidad de fabricación aún cuando en ocasiones son susceptibles de ser utilizados en bancos de moldeo con pizonetas manuales.El costo de fabricación de estas placas modelo se justifica por el aumento en laproducción y la obtención de mayor exactitud dimensionalmente en las piezascoladas. Una importante limitación en la utilización de este sistema es el peso

del molde que puede ser manejado por el moldeador, que oscila entre 40 a 50kg.

PLACAS SUPERIOR E INFERIOR

Consisten en modelos de la parte superior e inferior de la pieza montados endiferentes piezas. Así las mitades inferior y superior de los moldes pueden ser elaboradas al mismo tiempo por diferentes trabajadores y/o en diferentesmáquinas.El moldeo de piezas coladas medianas o grandes con la utilización de

máquinas de moldeo se facilita bastante con este tipo de equipo de modelos.La fabricación de placas modelo separadas superior e inferior es la máscostosa, pero usualmente se justifica por el aumento considerable deproducción y la facilidad de fabricación de piezas grandes que no puedenmanejarse con el equipo de placas modelo.

La fabricación de moldes mediante el uso de placas separadas requiere unalineamiento exacto de las dos mitades por medio de guías, bujes y pernos delocalización para asegurarse de obtenerse piezas no variadas.

MODELOS ESPECIALES

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Cuando los tipos de modelos mencionados anteriormente, no son aplicablesexiste la necesidad de recurrir a modelos especiales.a) Para piezas muy grandes se utilizan los modelos esqueleto o linternas. Estetipo se usa para moldes grandes hechos manualmente en su mayoría.b) Otro tipo especial de modelos son las tarrajas las cuales se utilizan para

fabricar moldes de piezas simétricas.c) Modelos maestros.-Son modelos generalmente hechos de madera, loscuales son utilizados para hacer los modelos para alta producción. Se puedencolar varios modelos para producción hechos con el modelo maestro y montar esos modelos en las placas correspondientes después de haberlos acabado asus dimensiones apropiadas. En la manufactura de un modelo maestro debenincorporarse ciertas tolerancias tales como la conocida doble contracción.

CAJAS DE CORAZONES

Aún cuando en ocasiones no se les clasifique como modelos, las cajas decorazón son una parte esencial del equipo de modelos para elaborar una piezaque se quiera corazones. Las cajas de corazones se construyen de madera yde metal (hierro gris).El plástico no tiene mucha aplicación, la caja más sencilla se muestra en lafigura, hecha de una sola pieza y el corazón de elaboración sencilla.

Suelen hacerse cajas de corazones múltiples para alta producción y cajascomplicadas con paredes móviles para corazones difíciles. Los corazones queno tienen ninguna superficie plana requieren equipo especial para sumanufactura tal como los secadores que son placas usualmente metálicas quesiguen la conformación del corazón y lo soportan para poder sacarlo de la cajade corazones y posteriormente someterlo al proceso de endurecimiento por cocción o curado, y así evitar su deformación.

FABRICACIÓN DE CORAZONES

El corazón o macho es toda aquella porción del molde preparada por separadoy que el objeto de crear un hueco al insertarse en el molde.El corazón es una sección costosa del molde, ya que hay que utilizar siempreuna nueva arena para controlar mejor sus propiedades, tales como: resistencia

al choque con el metal al ser vertido en el molde, resistencia a la abrasión,permeabilidad colapsabilidad o desmoronado, resistencia a las altastemperaturas (refractariedad) y elasticidad (para permitir la libre contracción demetal solidificante). Los corazones van colocados en el molde sobre unas

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plantillas de apoyo, a fin de evitar movimientos del corazón durante el vaciadodel metal líquido al interior del molde.La fabricación de los corazones, que puede ser bajo varios procesos, es unaoperación importante y decisiva para la obtención de una pieza con laspropiedades y características deseadas, por lo que debe controlarse muy de

cerca su elaboración.

ÁNGULOS DE EXTRACCIÓN.

Al tener preparado el molde es necesario abrirlo en 2 o más partes para poder extraer el modelo, para lo cual es necesario que este tenga en todas sus carasnormales a la línea de partición, una inclinación que permita su extracción, sinque el modelo arrastre arena consigo.Para determinar el ángulo de extracción β de los modelos, se recomiendan losvalores que se dan en la tabla.

ALTURA DEL MODELO ÁNGULOS DE SALIDA YPENDIENTES

De 1 a 10 mmDe 11 a 20 mmDe 21 a 35 mm

De 36 a 65 mmDe 66 a 150 mmDe 151 a 250 mmDe 251 a 400 mmDe 401 a 600 mmDe 601 a 800 mmDe 801 a 1000 mm

3°2°1°

0° 45’0° 30’1.5 mm2.5 mm3.5 mm4.5 mm5.5 mm

CONTRACCIÓN METÁLICA.

Al solidificar los metales o aleaciones se contraen y disminuyen su volumen,

este fenómeno origina una reducción en las medidas de la pieza, por lo cual losmodelos al ser proyectados, deben contener en sus dimensiones el por cientode contracción del metal o aleación.

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En la tabla se dan algunos valores de contracción metálica, para aplicarlos alas dimensiones del modelo, en función del metal en que será vaciada la pieza.

Valores de contracción metálicaMetal % de contracción

Fundición gris 0.5 a 1.2Fundición blanca 1.2 a 2.0Acero moldeado 1.5 a 2.0Bronce de estaño 0.8 a 2.0Bronce rojo 0.8 a 1.6Latón 0.8 a 1.8Aleaciones de zinc 1.0 a 1.5Aluminio 0.5 a 1.0Aleaciones de aluminio 1.0 a 2.3

FORMAS QUE FACILITEN EL MOLDEO.Al diseñar las formas de los modelos se deben prever que el modelo se facilite.Esto en ocasiones implica que la forma del modelo no sea semejante a la piezaque se desea obtener.

CALCULO DE LAS DIMENSIONES DE UN MODELO.

Para simplificar el cálculo de las dimensiones del modelo en las cotas dedefinición, se debe tomar en cuenta las tolerancias, y los valores calculados,

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pueden redondearse al medio milimétrico, es decir, si la dimensión necesariapara el modelo es de 27.7 mm, el valor final del modelo puede ser 28.00 mm.

SISTEMAS DE ALIMENTACIÓN.

Son muchos los factores que se deben controlar para obtener una buena piezade fundición, uno de estos factores es debido al recorrido que efectúa el metalen el molde y su solidificación. Para diseñar un sistema de alimentacióncorrecto, se requiere conocer los principios de flujo de fluidos y característicasde solidificación del metal vaciado.El metal líquido se introduce a la cavidad del molde a través de un “sistema de

alimentación” compuesto de cuatro partes principales: el basín, un bebedero,un canal y los ataques. El metal se vacía primeramente en el basín y pasa elbebedero vertical, después fluye a través del canal (previamente tallado en laarena del molde) y por ultimo pasa por los ataques, para llegar a la cavidad delmolde.

Los metales en estado líquido absorben gases. El líquido erosiona el materialdel molde durante el flujo del metal, y además sufre el proceso de solidificacióny su contracción en volumen, razones por las cuales los sistemas dealimentación deben diseñarse con el siguiente criterio:

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a) El metal debe fluir a través del sistema de alimentación con el mínimo deturbulencia para evitar la oxidación del metal, el atropamiento de aire, laaspiración de gases en el molde, el eliminar las inclusiones desustancias o rogaciones en el molde, inclusive evitar también laformación de escoria.

b) El metal debe entrar a la cavidad del molde de una manera tal que losgradientes de temperatura sea tanto en el fondo como en la superficiedel molde de tal forma que la solidificación sea progresiva y en direcciónde la mazarota o cargador.

La primera condición al diseñar un sistema de alimentación es la de reducir losefectos en las piezas causadas por inclusiones de escoria, erosiones y gasesatrapados. La segunda condición es la de evitar los defectos causados por lacontracción y una alimentación inadecuada. La tercera condición es producir piezas a un costo competitivo con otros procesos de manufactura.

COMPONENTES DE UN SISTEMA DE ALIMENTACIÓN.

Basín: Los sistemas de alimentación inician con un basín o recipiente,destinado a recibir el metal líquido de la cuchara de vaciado y deben a su vezmantener el resto del sistema lleno de metal líquido, también deberá ayudar aretener la escoria e inclusiones antes de que fluya a través del sistema. Lafigura 2 muestra el corte de un diseño de basín que permite tal función.

Bebedero: El diseño correcto de un bebedero es extremadamente importantepara el futuro de una buena pieza de fundición. Debe ser cónico en vez derecto, con la menor área en el fondo a fin de minimizar el efecto de vértice yevitar el atropamiento de burbujas de aire durante vaciado del metal. El áreatransversal de bebedero puede ser circular, fig. 3 (a), aunque también enresultados recientes de investigación recomienda el área transversalrectangular.Pozo (Base del fondo del bebedero): No debe tener aristas ni esquinas, serecomienda la forma circular y el fondo plano para reducir la tendencia a laturbulencia y la aspiración de aire.

Canal: Son de sección rectangular y se deben diseñar de forma tal que permitadistribuir el metal en forma uniforme a la pieza.

Ataques: Se conocen también como entradas y son la última parte del sistemade alimentación y a su vez es la parte del sistema que tiene contacto con lacavidad del molde. Por regla general los ataques son de sección rectangular ypueden esta arriba del plano de participación o por debajo. Los ataques oentradas deben estar distribuidos en forma conveniente a la pieza.

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Unidad II Procesos de Fundición de Metales

INTRODUCCIÓN

Durante la última década, a consecuencia de la globalización, la industria de lafundición ha empezado a recibir una alta demanda para que optimice tanto susprocesos de vaciado como las propiedades de servicio de las aleacionesproducidas; estas exigencias conducen a tener que soportar fuertes presionespara el logro de la reducción de costos, lo que conlleva el uso de la tecnologíade fundición. Esto conduce a la necesidad de desarrollar una tecnología defundición que ayude a vencer las dificultades para obtener de manerasimultánea en la misma pieza, las cualidades superficiales de buen acabado,completa sanidad interna, y una microestructura apropiada que garantice laspropiedades de servicio de dicha pieza. Por lo tanto, es imprescindibleentender: los mecanismos de solidificación, los fundamentos de la naturalezadel flujo de fluidos metálicos, el comportamiento cinético de los metales y de las

aleaciones líquidas, los fenómenos de contracción con y sin cambios de fase,los mecanismos de enlace en los materiales de moldeo, el comportamientotérmico tanto en los materiales de moldeo como en el interior de la pieza quese está solidificando y enfriando, y las transformaciones de fase en sólidos.

La Fundición además de una industria es también un arte, el moldeador sinmás ayuda que la de un modelo y algunas herramientas rudimentarias puedeproducir piezas muy complejas realizando un trabajo que puede llamarse deescultor 

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Unidad II Procesos de Fundición de Metales

FUNDICIONES

Las fundiciones son aleaciones de hierro, carbono y silicio que generalmentecontienen fósforo, azufre también manganeso y otros elementos más. Lasfundiciones contienen mas carbono que los aceros (desde 2 hasta el 4,5 % de

C) adquiriendo su forma directamente por colada, donde las fundiciones nuncason sometidas a procesos de deformación plástica ni en frío ni en caliente,Generalmente no son dúctiles ni maleables y no pueden ser forjadas nilaminadas.

La fundición es , por lo tanto , una industria fundamental para la construcciónde máquinas y exige una amplia cultura profesional quien se dedica a ella ,pues requiere conocimientos técnicos tan diversos como son el dibujo industrial,la mecánica de los cuerpos sólidos y fluidos , la óptica , la termología, laelectrotecnia , la química etc. , mucha experiencia en los recursos prácticos alos que a menudo hay que recurrir, así como la capacidad especial para idear y aprovechar tales recursos .

Para terminar la pieza hace falta como en todos los demás procedimientosindustriales , someter las materias primas ( que en este caso es el metal enbruto fundido en lingotes y la chatarra ) y las materias auxiliares (esto es , elcombustible , las arenas , los aglutinantes etc.) a una serie ordenada deoperaciones sucesivas que constituyen el llamado diagrama de trabajo.

En las fundiciones grises, que prácticamente son las más importantes aparecendurante la solidificación y posterior enfriamiento láminas de grafito que son lasque originan discontinuidades en la matriz y la causa de que las característicasmecánicas de las fundiciones grises sean, en general muy inferiores que las

de los aceros.El cubilote es el equipo más utilizado para la fabricación de la mayoría de laspiezas de fundición. Para piezas en donde se fabrican fundiciones de calidad,fundiciones aleadas, son obtenidas utilizando horno de reverbero, horno decrisol y hornos eléctricos.

TIPOS DE HIERRO FUNDIDO

El mejor método para clasificar el hierro fundido es de acuerdo con suestructura metalográfica. Las variables a considerar que dan lugar a los

diferentes tipos de hierro fundido son: el contenido de carbono, el contenido dealeación y de impurezas, la rapidez de enfriamiento durante o después delcongelamiento, y el tratamiento térmico después de fundirse. Estas variablescontrolan la condición del carbono y también su forma física. El carbono puedeestar combinado en forma de carburo de hierro en la cementita, o existir comocarbono sin combinar (o libre) en forma de grafito. La forma y distribución delas partículas de carbono sin combinar influirá en las propiedades físicas delhierro fundido. Los tipos de hierro fundido son:Hierros fundidos blancos.- Los hierros fundidos contienen más del 2 % deC. La forma en la que el carbono solidifica depende de las velocidades deenfriamiento, así como de la composición, este control se ejerce

principalmente por medio del contenido total de C y Si, además P y suefecto combinado puede ser expresado por el equivalente de carbono (C.E)

C.E. (%) = C % + (Si % + P %) / 3

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Unidad II Procesos de Fundición de MetalesC.E < 3 y con enfriamiento rápido (espesor pequeño de la sección, menor de 6mm en fundición en arena) toda la sección transversal se solidificará con unamicroestructura blanca es decir con todo el carbono en forma de Fe3C.

El uso de éstas fundiciones son para materiales o partes que estánsometidos a desgaste , tales como las bolas de molienda, recubrimientospara molinos de trituración de menas, y en algunas partes de maquinariaagrícola, no se le puede maquinar fácilmente excepto por esmerilado

Cementita Perlita

Fundició n maleable.- El Fe3C del hierro fundido blanco se puede convertir engrafito estable mediante un tratamiento de recocido, en el que la cementitase descompone en grafito (carbono templado y ferrita). La resistencia yla ductilidad son similares a las del acero, pero con un punto de fusiónmenor y mayor fluidez y la fundibilidad es mejor, se utiliza para componentespequeños eléctricos.

Fig. 100X Fig. 200X

Fundició n hierro gris.- Con C.E relativamente elevado y velocidades deenfriamiento más lentas hay tiempo para que el hierro solidifique en formaestable, y para que el carbono se separe en forma de escamas de grafitohaciendo la fractura de superficie de color gris opaco; de ahí el nombre dehierro gris. Las escamas de grafito reducen la ductilidad hasta anularla.

Su bajo costo hace del hierro gris la elección preferida en todos los campos

donde la ductilidad y la resistencia elevadas no son necesarias (pesas,marcos, armazones para motores, engranajes, bombas, tapas de alcantarilla,rejillas). Su capacidad de amortiguación elevada es una ventaja para lasbases de las máquinas- herramientas.

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Perlita Ferrita Hojuelas de Grafito

Hierro nodular.- Un hierro fundido dúctil se obtiene cuando el grafito sepasa a una forma globular, esto se logra agregando a la fusión una

pequeña cantidad de magnesio o cerio (en forma de ferroaleación) quecausa que el grafito se separe en partículas bien definidas casiesféricas(nódulos) distribuidas en la matriz de hierro o perlita.

Este hierro nodular tiene una amplia gama de aplicaciones comocigüeñales de motor, carcasas de bombas, rodillos de trenes delaminación, y en generales en partes sometidas a cargas de impacto.

ESTRUCTURA Y PROPIEDADES DE LAS FUNDICIONES

Las propiedades de una aleación solidificada no solo dependen de lacomposición, sino también del tamaño de grano y de la forma y distribución delas fases. Estos factores se pueden controlar y modificar en el curso de lasolidificación.

Cuando se vacía una fusión en un molde frío, el metal en contacto con éste sesolidifica en forma de granos finos prácticamente equiaxiales (de dimensionescasi iguales en todas las direcciones), ya que las velocidades de enfriamiento

son elevadas (zona de enfriamiento) y la pared del molde induce la nucleaciónheterogénea. El calor latente de fusión, liberado durante la solidificación,

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disminuye la velocidad de solidificación, el curso de la solidificación posterior depende del tipo de aleación que se vacía.

PROPIEDADES DE LAS FUNDICIONES

Las características de la solidificación se combinan con las propiedades delfluido con el fin de determinar la compatibilidad de varias aleaciones para sufundición.

VISCOSIDAD.

El vaciado de la fusión en un molde es en esencia un problema de flujo defluidos y como tal resulta enormemente afectado por la resistencia ejercida por el fluido contra el flujo. Esta resistencia se puede medir como un esfuerzocortante δ. Si una película del fluido de espesor h se corta entre dos placasplanas paralelas una de las cuales se mueve a una velocidad v, el esfuerzocortante δ, ζ es la fuerza por unidad de área que actúa sobre estas placas.

δ= η (dv/dh) = ný

Donde ý es la velocidad de deformación unitaria por cortante, y η la viscosidaddinámica (en unidades de N. s/m2)

Las dendritas incrementan enormemente la viscosidad aparente, exceptocuando las velocidades de corte son suficientemente grandes para romper lasdendritas; entonces, la viscosidad es baja, similar a la que se encuentra en los

cristales equiaxiales.

EFECTOS SUPERFICIALES

Cuando la fusión debe fluir a través de canales pequeños (por lo generalmenores de 5 mm) la tensión superficial se vuelve significante. Una tensiónsuperficial elevada hace imposible llenar esquinas agudas.

Al exponerse a la atmósfera, la superficie de muchas fusiones se recubrerápidamente con una película de óxido, cuya naturaleza influye en gran medidaen el comportamiento de la fundición.

COLABILIDAD

Propiedad que mide la capacidad de alcanzar los puntos alejados de laalimentación del molde.

FLUIDEZ

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Es la capacidad de un metal para llenar un molde, siendo una propiedad delsistema que es una función que no solo depende del metal sino también delmolde.

La fluidez se incrementa con el aumento del sobrecalentamiento, porque éste

baja la viscosidad y retrasa la solidificación.

La fluidez se eleva con el incremento de la temperatura del molde ya que lasolidificación se retrasa.

CONTRACCIÓN

Diferencia entre las dimensiones del molde y de la pieza colada una vez fría.Esto es debido a la contracción de la masa líquida durante el enfriamiento, a lacontracción durante el cambio de líquido a sólido y a la contracción queexperimenta la masa solidificada durante el enfriamiento.

CUADRO DE CONTRACCIONES LINEALES MEDIAS DE FUNDICIÓN

ALEACIÓN DIMENSIONES DELMODELO PIEZASMACIZAS (mm)

PIEZAS CONMACHOS (mm) CONTRACCIÓN EN% o mm/m

Fundición gris Hasta 600

De 630 a 1200

Mas de 1200

Hasta 600

De 630 a 900

Mas de 1200

10 %

8.5

7.0

Fundición gris degran resistencia

Hasta 600

De 630 a 1200

Mas de 1200

Hasta 600

De 630 a 900

Mas de 1200

13.0

10.5

8.5Fundición blancacolada en arena

15....16

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Unidad II Procesos de Fundición de MetalesFundición blancacolada en coquilla

18

Fundición maleable:Espesores de

3mm.

10mm

20mm

13

10

7

Acero Hasta 600

De 630 a 1200

Mas de 1800

Hasta 450

De 480 a 1200

De 1200 a 1675

Mas de 1765

20

15.5

13

11Bronce mecánicocon 10 % de estaño

14

Latón con 37 % decinc

16

Latón con 40 % decinc

18

Aluminio y susaleaciones

Piezas pequeñas

Piezas mediana

Piezas grandes

Pequeñas

Medianas

grandes

13..15

12...13

11...12Aleaciones demagnesio

11...13...14

Aleación de plomoy estaño

2...3

Energía calórica que se debe aportar al material en el proceso de colada.

Será la suma del calor para elevar la temperatura desde la temperaturaambiente hasta la temperatura de fusión, más el calor de fusión, más latemperatura para elevarlo desde la temperatura de fusión hasta la de vaciado.

H = ρ.V [ Cs.(Tm- To) + Hf  +C1.(Tp-Tm)]

Donde:

H = Calor total requerido

ρ = Densidad (gr/cc)

Cs= Calor específico en peso para material sólido (J/g ºC)To = Temperatura del ambiente (ºC)

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Tm = Temperatura de fusión (ºC)

Tp = Temperatura de vaciado (ºC)

V = volumen (cc)

Ley de la continuidad

Establece que la velocidad volumétrica del flujo permanece constante a travésdel líquido

Q = V1.A1 = V2.A2

Donde Q = velocidad del flujo volumétrico o caudal (cm3 /s)

V = velocidad de un punto de la masa líquida (cm/s) y

A = Área de un sección transversal del líquido.

Regla de Chvorinov.- Indica que el tiempo total de solidificación de lafundición después del vaciado depende del tamaño y forma de la pieza. Segúnla relación:

TST = Cm . ( V / A )

Donde:

TST es el tiempo de solidificación total.

V es el volumen de la fundición.

A es el área superficial de la fundición.

n es el exponente que toma el valor 2 generalmente.

Cm la constante del molde.

Teorema de Bernoulli.- Establece que la suma de las energías (altura, presióndinámica, energía cinética, y presión) en dos puntos cualquiera de un líquidoque fluye son iguales.

h1 +( P1 / ρ. g) +( V 12 / 2g) + F1 = h2 + (P2 / ρ. g) + ( V 2

2 / 2g) + F2

Donde : h = es la altura ( cm)

P = Presión en el líquido ( N/cm2 )

r = densidad ( g/cc)

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V = velocidad del flujo( cm/s)

g = constante de aceleración de la gravedad ( 981 cm/s2 ) y

F = pérdidas de carga debido a la fricción (cm).

Tiempo requerido para llenar el molde.- 

MFT = V/Q

Donde: V = volumen de la cavidad

Q = Velocidad volumétrica de flujo y

MFT = el tiempo de llenado.

Ejemplo:

Se pretende hacer una pieza cilíndrica de volumen 1000 cm3, en un molde deárea en el cual se ha diseñado un bebedero de colada de 5 cm de longitud yuna sección de 1cm3, como se muestra en la figura;

a) Cual es el tiempo mínimo requerido para el llenado de la pieza (ausencia defricciones).

b) ¿Cuál es el tiempo de solidificación de la pieza, considerando una constanteCm =.46 min/ cm2 y n = 2 ?.

Solución:

El problema es determinar el tiempo de llenado y solidificación en el procesode colada de una pieza.

1.- Tiempo mínimo requerido para el llenado

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Primero calculamos la velocidad del flujo en el bebedero de colada. Aplicandoel teorema de Bernoulli entre el punto 1 y 2 del gráfico, sin tomar en cuenta laspérdidas por fricción y trabajando a presión atmosférica tendremos:

h1 + V 12 / 2g = h2 + V 2

2 / 2g

Donde:

V1 es la velocidad en la parte superior del bebedero

V2 es la velocidad en la base del bebedero y

h2 = 0

h1 = V2 / 2g V2 = 2gh

V2 = 2 (9.8) 0.5 = 99.05 cm/s

Aplicando la ley de continuidad, calculamos la velocidad del flujo volumétrico:

Q = V. A = 99.05 (cm/s) . 1 cm2 

Q = 99.05 cm3 / s.

El tiempo de llenado que se requiere para rellenar la pieza de 1000 cm3 es :

MTF = V / Q = 1000 cm3 / 99.05 cm3 / s

MTF = 10.01 s.

2.- Tiempo de solidificación de la pieza

Para calcular el tiempo de solidificación aplicamos la regla de Chvorinov:

TST = Cm . ( V / A ) n

Para esto necesitamos conocer el área y el volumen de la pieza cilíndrica.

V = 1000cm3 = π .D. h / 4

D = 11.28 cm ( r = 5.64 cm )

En el caso del área consideramos dos veces las superficies circulares y elperímetro por la altura de la siguiente manera:

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A = 2, π . r . h. + 2 π r 2

A = 354.49 + 19.86

A = 554.35 cm2 

Sustituyendo en la fórmula de Chvorinov:

TST = 0.46 ( min / cm 2 ) ( 1000 cm3 / 554.9 cm2)

TST = 1.5 minutos tardará en solidificar.

PASOS PARA UN PROCESO DE FUNDICIÓN.

Proyecto y Diseño.

El proyectista al idear la máquina, debe darle un cuerpo resistente y duraderocalculando las diferentes partes y transmitir las ideas al constructor que realizalos diseños de conjunto y detalles de cada pieza debidamente acotados, deaquí la idea de la estrecha relación entre el fundidor, el modelista, y elproyectista de manera que se conozca la técnica de fundición, para prever lareducción de piezas defectuosas, bajar costos.

Ejecución del modelo.

Después de las comprobaciones necesarias y si el modelo va a ser de maderao de otro material, el modelista construye un modelo teniendo en cuenta elsistema de moldeo que adoptará el fundidor, tomando en cuenta el grado decontracción del metal y los espesores de mecanización. Si la pieza posee unhueco interior el modelista hará también la correspondiente caja de machosalmas, núcleos o noyos.

Diseño del Molde.-

Se determínale peso y el volumen de la fundición.

Con base en el volumen y en la configuración geométrica se precisa el tamañoy el número de mazarotas.Por medio de la teoría y de las relaciones empíricas se establece el tiempoóptimo de vaciado.Se diseña el sistema de alimentación que permita el llenado del molde en eltiempo permitido y de la manera más uniforme posible.

Moldeo.

Una vez comprobado el modelo, se debe hacer el molde o forma reproducciónen negativo de la configuración y las dimensiones de la pieza que va a ser 

fundida.

Los moldes pueden ser:

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a) Desechables (transitorio) fabricados de arena, yeso, cerámica ymateriales similares. Estos materiales son por lo general mezclados convarios aglutinantes o agentes de unión, estos materiales son refractarios,es decir son capaces de resistir altas temperaturas de los metalesfundidos. Una vez solidificada la pieza el molde es roto para retirar la

pieza fundida.

 b)  Permanentes hechos de metales que conservan su resistencia a altastemperaturas, se utilizan de manera repetida y están diseñados de formaque la pieza colada pueda ser retirada con facilidad y utilizar el molde enla siguiente colada. Dado que los moldes de metal son los mejores

c) conductores del calor que los moldes desechables no metálicos, lafundición al solidificarse queda sometida a una velocidad de enfriamientomás rápida, lo que afecta directamente a la microestructura y el tamañode grano de la fundición.

d) Moldes compuestos, fabricados de dos o más materiales distintoscomo arena grafito y metal combinando las ventajas de cada material.Son utilizados en algunos procesos de fundición para mejorar laresistencia del molde, controlar la velocidad de enfriamiento.

Preparación de arenas.- Para los moldes perdidos es necesario preparar lasarenas añadiendo los materiales adecuados para que adquiera las suficientespropiedades como son la permeabilidad, cohesión, refractariedad, dureza, etc.

Preparación de la coquilla.- Para moldes permanentes hay que construir lacoquilla mediante operaciones mecánicas de torneado, fresado etc, y preparar para la colada.

Preparación del metal fundido.- El metal se calentará a la temperatura defusión, de manera que pase del estado sólido al líquido, esto puede realizarseen cualquier horno dependiendo de las características y ventajas que cada unoofrezca.

Solidificación y enfriamiento.- Después de cada colada se debe esperar quese enfriara la pieza en el molde, dependiendo de las dimensiones y formas.

Desmoldeo.- Después de la solidificación y el enfriamiento se procede aldesmoldeo, levantando la caja y rompiendo el molde con martillo. Los moldespermanentes de yeso y las coquillas metálicas solo han de abrirse después desacada la pieza.

Acabado.- La pieza extraída del molde está áspera, tiene incrustaciones dearena y las rebabas que corresponden a las juntas de la caja y lleva unidos losbebederos, cargadores y mazarotas. Es necesarios pulir la pieza, desprender 

los bebederos y los cargadores y luego limpiarla con un chorro de arena.

Tratamientos Térmicos.- Algunas veces las piezas han de ser sometidas a

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Unidad II Procesos de Fundición de Metales

tratamientos térmicos para mejorar o modificar sus propiedades.

Mecanización.- Las piezas destinadas a la construcción de alguna máquinapasan finalmente al taller para su mecanización la cual tiene por objetodimensionar exactamente la pieza y asegurar con ello el perfecto

funcionamiento de la máquina.

FUNDICION EN ARENA

El método tradicional de vaciado de metales es en moldes de arena y ha sidousado durante muchos años.El origen de la fundición se remonta a tiempos muy lejanos, sigue siendo lamás prevaleciente de fundición. Solo en EE UU se vacían aproximadamente 15millones de toneladas de metal usando este método.

La fundición en arena consiste:

a) Colocar un modelo con la forma de la pieza deseada en arena paracrear una impresión.

b) Incorporar un sistema de alimentación.c) Llenar la cavidad resultante de metal fundidod) Dejar que el metal se enfríe hasta que se solidifique.e) Romper el molde de arena.f) Retirar la fundición.

Los pasos de producción correspondientes a una operación típica de fundiciónen arena aparecen en el siguiente gráfico.

Fabricación del modeloFabricación del corazónSistema de alimentación

Hornos Solidificación Sacudida Tratamiento térmico DefectosEliminación canales adicionalAlimentación-mazarotas

ARENAS

La mayor parte de las operaciones de fundición en arena utilizan la sílice(que es un producto de la desintegración de las rocas a lo largo de

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Fusióndel metal

Vaciadoen molde

Piezafundida

TratamientoTérmico

Limpieza

terminado 

oo

Arena Molde

Moldeo

Inspección

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Unidad II Procesos de Fundición de Metalesmuchos períodos de tiempo). La arena es económica y adecuada comomaterial de molde, debido a sus características entre las cuales tenemosla resistencia a altas temperaturas.

Existen dos tipos generales de arenas: Naturalmente unida (arena de banco) y

sintética (arena de lago).Son importantes varios factores en la selección de la arena para losmoldes. Arena con granos finos y redondos se pueden prensar más yforma una superficie lisa en el molde, aunque la arena de grano finoaumenta la  resistencia del molde, los granos finos también reducen lapermeabilidad del molde. Los moldes con buena permeabilidad permiten lafácil evacuación de gases y vapores presentes durante la fundición.Las arenas de fundición están constituidas por granos de cuarzo (bióxidode  silicio), SiO2 muy refractario, y por arcilla (silicato hidratado dealuminio  2SiO2.AI2O3.2H2O) que es elemento de unión y confiereplasticidad y  disgregabilidad al molde, la estructura granular propia de laarena asegura la permeabilidad.Las arenas de fundición tienen un origen común. La roca madre de lacual  derivan es el granito, compuesto de feldespato, cuarzo y mica. Elfeldespato (silicato doble de aluminio y potasio o sodio) actúa de sustanciaaglomerante de la mica y el cuarzo, bajo la acción tenaz y constantede los agentes atmosféricos se disocian los dos silicatos que componen elfeldespato.El silicato de aluminio al hidratarse se convierte en arcilla.No siempre puedeemplearse la arena en la fundición tal como llega de los  depósitos sinoque debe someterse a los algunos procesos de modificación  que seefectuarán después de una serie de pruebas para el estudio de lascaracterísticas técnicas.

Hay tres tipos de aglomerantes y aglutinantes que se utiliza para modificar las propiedades de las arenas.

Aglutinantes inorgánicos de tipo arcilloso: Arcillas ybentonitas.

En general la acción de la arcilla natural y de la bentonita (constituidade montmorillonita, es un ejemplo de arcilla coloidal) es cualitativamentesimilar a la de la arcilla geológicamente aglutinada a las arenas arcillosanaturales. La bentonita se diferencia de la arcilla en que contiene unacapacidad de absorción mucho más elevada (en el aire se hincha hasta 16veces su volumen primitivo) y su poder aglutinante es de 2 a 3 veces mayor 

que el de la arcilla. La proporción de la arcilla que se utiliza en las arenas parafundición es del 2 al 4 % en peso de arena seca, se añade el 3 al 4 % deagua y se mezcla durante 5 a 15 minutos.

CARACTERÍSTICAS FÍSICO QUÍMICAS DE LA ARENA

Estas características influyen directamente en las propiedades técnicas de laarena.

1. Análisis químico2. Contenido arcilloso

3. Dimensión de los granos y su distribución y4. Forma de los granos

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Unidad II Procesos de Fundición de MetalesLa importancia del análisis químico permite prever la refractariedad y lacohesión de las arenas estableciendo la composición en su contenido decuarzo arcilloso y feldespato.

La determinación del contenido arcilloso sirve para deducir el porcentajearcilloso en la arena.Para determinar el tamaño de grano se efectúa el análisis granulométricohaciendo pasar por diferentes cedazos metálicos (once) de acuerdo a lasnomas alemanas DIN.La forma de los granos se examina a través de un microscopio para distinguir entre granos redondos, granos angulosos y compuestos.

CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DE LAS ARENAS.

Las características técnicas que más interesa conocer y comprobar son:

• Refractariedad

• Cohesión o resistencia• Permeabilidad• Deslizamiento

Refractariedad.- Se determina por la temperatura a que puede someterse sinpresentar signos de fusión, además la forma y tamaño de los granos influyenen la refractariedad, dependiendo del material que se va a colar, la arena para

acero debe resistir temperaturas entre 1350 y 1400 ° C y las arenas paramateriales no ferrosos de 850 a 1400 ° C.

La cohesió n.- Se la puede determinar por medio de cuatro pruebas quedeterminan las cargas de rotura por compresión, por tracción, por flexión, y por cortadura, en donde la arena al moldearse debe ser capaz de soportar lasfuerzas a que está sometido el molde durante las diversas operaciones.

La permeabilidad.- Permite a la arena ser atravesada por los gases yevacuarlos en el momento de la colada

El deslizamiento.- Y la movilidad de una arena de fundición permiten llenar 

todos los huecos del modelo y se desliza hacia la superficie y nonecesariamente en dirección del atacado

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MOLDEO

El moldeo a mano se realiza cuando las operaciones para obtener una pieza o

elemento se efectúan en su mayor parte por medios puramente manuales. Elmoldeador a mano debe ser un operario especializado que conozca a fondo elarte de la fundición, tenga larga experiencia y sea capaz de asimilar rápidamente las indicaciones y las sugerencias de los jefes de taller.

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Unidad II Procesos de Fundición de Metales

El molde deberá tener buena colapsabilidad (para permitir que la pieza fundidase contraiga al enfriarse) con el fin de evitar defectos en el colado, como grietasen caliento y agrietamientos, poseer un ángulo de deslizamiento. Por lo tanto sedebe seleccionar y preparar la arena antes de utilizarla para el moldeo. Seutilizan máquinas para mezclar uniformemente la arena con aditivos, para unir 

las partículas de las arenas, dándole resistencia, se utiliza bentonita comoaglutinante. Se puede utilizar Arenas de Zirconio (ZrSiO4), olivino ( Mg2SiO4) ysilicato de hierro ( Fe2SiO4) en fundidoras de acero debido a su baja dilatacióntérmica.

MAQUINAS PARA EL MOLDEO DE LA ARENA

El método más antiguo para el moldeo que se sigue utilizando en fundicionessimples, es compactar la arena presionándola con la mano(apisonamiento) ocompactándola alrededor del modelo, sin embargo actualmente existenmáquinas de moldeo que eliminan horas de mano de obra, ofreciendo

fundiciones de alta calidad al mejorar la aplicación y distribución de fuerzas,incrementando la velocidad de producción.Para el llenado de la arena en las cajas se utilizan lanzadores de arena, querellenan la caja de moldeo de manera uniforme con un chorro de alta presión

FUNDICIÓN MANUAL

Para que una fundición se encuentre bien organizada son necesarias lassiguientes indicaciones:

• Que exista una orden por escrito o una hoja de trabajo con

el número de piezas marca y número del modelo,• La caja o las cajas de moldeo necesarias en perfectas condiciones.• Indicaciones sobre la arena a utilizar • Indicaciones precisas sobre el sistema de moldeo y de colada.• Que existan todas las herramientas y materiales

necesarios para el moldeo.

HERRAMIENTAS NECESARIAS PARA EL MOLDEO

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Unidad II Procesos de Fundición de Metales

FUNDICIÓN EN MODELO CONSUMIBLE

El proceso de fundición en modelo consumible utiliza un modelo depolietileno, el mismo que se evapora en contacto con el metal fundido paraformar una cavidad para la fundición.

El proceso también se conoce como fundición de modelo evaporado o demodelo perdido, convirtiéndose en uno de los procesos de fundición más

importante para metales ferrosos y no ferrosos en particular para la industriaautomotriz.

El proceso consiste en colocar polietileno crudo en un dado precalentado que seencuentra generalmente hecho de aluminio. El polietileno se expande y tomala forma de la cavidad del dado, se aplica más calor para que se fundan y seunan las perlas entre sí. El dado se deja entonces enfriar y se abre,retirándose el modelo de polietileno.El modelo se recubre con un barro refractario base agua, se seca y se colocaen una caja de moldeo, la caja se llena de arena fina, que rodea y soporta elmodelo y puede secarse o mezclarse con agentes aglutinantes para darleresistencia adicional. La arena es compactada de manera periódica utilizando

diversos medios, entonces sin retirar el patrón de polietileno se vacía el metalfundido en el molde.Esta acción de inmediato vaporiza al modelo y llena la cavidad del molde,reemplazando completamente el espacio antes utilizado por el modelo depolietileno. La fluidez es inferior a la de la fundición en arena, esto tieneefectos importantes en la microestructura en toda la fundición y tambiénconduce a una solidificación direccional del metal.

El proceso de modelo evaporativo tiene un cierto número de ventajas sobreotros métodos de fundición:

• El proceso es relativamente simple porque no existen líneas departición, corazones o sistemas de alimentación; por tanto tiene fluidezde diseño.

• El precio de polietileno es económico y se puede procesar con

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facilidad en modelos con formas complejas, tamaños varios y un buenacabado superficial.

• La fundición requiere un mínimo acabado y limpieza.• Para el proceso bastan cajas de moldeo sencillas y de bajo costo.• El proceso puede ser automatizado y económico para grandes lotes de

producción.Las aplicaciones a través de este proceso son: las cabezas de cilindro,cigüeñales, los componentes de frenos y los múltiples para automóvil, así comolas bases para maquinaria.

FUNDICIÓN EN MOLDE DE YESO

 El molde se hace en yeso (sulfato de calcio) con la adición de talco y harina desílice para mejorar la resistencia y controlar el tiempo requerido para el curado

del yeso, estos componentes se mezclan con agua.Una vez curado el yeso por lo general después de 15 minutos, se retira elpatrón y se deja secar el molde de 120 a 260 °C para eliminar la humedad.Pueden utilizarse temperaturas de secado más elevadas dependiendo del tipode yeso.

El colado en molde de yeso no tuvo éxito hasta que se encontraron formas dehacer permeable el yeso, de modo que los gases pudieran escapar del molde.El exceso de agua ayuda puesto que se expulsa cuando se hornea parasecarlo y deja poros.

Los modelos para el colado en yeso se fabrican por lo general de aleacionesde aluminio, de plásticos termoestables de latón o de aleaciones de cinc, lafundición con moldes de yeso se utiliza únicamente para aluminio magnesio

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Unidad II Procesos de Fundición de Metalescinc y algunas aleaciones de cobre, ya que la mayoría de las aleacionesferrosas se vierten a temperaturas demasiado altas que funden el yeso. Seevita el plomo porque reacciona con el yeso. Algunos productos típicos sonpartes de aviación, conexiones y accesorios de plomería, pistones de aluminio,cerraduras, hélices de propulsión entre otras.

Las piezas realizadas por este proceso tienen muy buen acabado, tienenmenor conductividad térmica comparada con otros ya que se enfríanlentamente y se obtiene una estructura de grano uniforme. Como resultado,algunos pero no todos los metales colados en moldes de yeso tienen menosresistencia que si se colaran en arena o en moldes de metal; se pierde enresistencia hasta el 25 % para algunas aleaciones de aluminio. El espesor delas paredes de las piezas pueden ser desde 1 mm hasta 2.5 mm. Este procesose conoce como fundiciones de precisión en razón de la elevada precisióndimensional y el buen acabado superficial obtenido. Con frecuencia éstasventajas ayudan a eliminar maquinado costoso. Piezas típicas incluyencomponentes para cerraduras, engranajes, válvulas, acoplamientos

herramientas y piezas de ornato.

El colado en molde de yeso en promedio es cerca de tres veces tan costosocomo el colado en arena ya que los modelos y las cajas de corazón cuestanmás, y los moldes y los corazones toman más tiempo para prepararse yhornearse.

FUNDICIÓN EN MOLDE CERÁMICO

Es similar al proceso de yeso, con la excepción que utiliza materialesrefractarios para el molde adecuados para aplicaciones de alta temperatura. El

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Unidad II Procesos de Fundición de Metalesbarro es una mezcla de Zirconio de grano fino (ZrS¡O4) óxido de aluminio ysílice fundido que se mezclan con agentes aglutinantes y se vacían sobre elmodelo el mismo que ha sido colocado en una caja de moldeo .

El modelo puede estar hecho de madera o de metal, después del

endurecimiento, los moldes (caras de cerámica) se retiran, se secan, sequeman para eliminar toda materia volátil y se hornean. Los moldes se fijanfirmemente y se utilizan como moldes totalmente de cerámica. En el procesoShaw, las caras de cerámica son recubiertas de arcilla refractaria (arcilla usadaen la fabricación de ladrillos refractarios que resisten altas temperaturas) paraimpartir resistencia al molde, Las caras se ensamblan después formando unmolde completo listo para su vaciado. La resistencia a las altas temperaturas delos materiales refractarios moldeados usados permite que éstos se utilicen en lecolada de aleaciones no ferrosas y otras de alta temperatura de fusión deaceros inoxidables y de aceros para herramientas. Las piezas fundidas tienenuna buena precisión dimensional y buen acabado superficial en una ampliavariedad de tamaños y formas complejas, pero el proceso es un poco costoso.

Las piezas que típicamente se fabrican son impulsores, cortadores paraoperaciones de maquinado, dados para trabajo en metal y moldes para lafabricación de componentes de plástico y hule. A través de este proceso se hanfundido piezas con pesos de hasta 700 Kg.

FUNDICIÓN EN MOLDE PERMANENTE

El proceso de colado en molde permanente se presenta cuando se vierte

metal fluido en moldes de metal y se sujeta solo a la presión hidrostática En elproceso de fundición en molde permanente, también conocido como fundiciónen molde duro, se fabrican dos mitades de un molde de materiales como elhierro colado, el acero, el bronce, el grafito o aleaciones de metal refractario. La

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Unidad II Procesos de Fundición de Metalescavidad del molde y el sistema de canales de alimentación se maquinan y por lotanto forman parte integral del mismo. Para producir piezas con cavidadesinternas, se colocan corazones hechos de metal o de agregados de arena en elmolde antes de la fundición.

Los materiales típicos para el corazón son la arena aglutinada con aceite o conresina, el yeso, el grafito, el hierro gris, el acero de bajo carbono y el acero paratrabajo en caliente. El más usado es el hierro gris para moldes grandes en lafundición de aluminio y de magnesio.

A fin de incrementar la vida útil de los moldes permanentes las superficies dela cavidad del molde por lo general están recubiertos con un barro refractario(silicato de sodio y arcilla) o se rocían con grafito cada cierto número decoladas. Estos recubrimientos sirven también como agentes de separación ycomo barreras térmicas, controlando la velocidad de enfriamiento de lafundición.

Los moldes se sujetan juntos por medios mecánicos y se calientanaproximadamente 150 °C -200°C para facilitar el flujo del metal y reducir eldaño térmico a los dados debido a gradientes de temperatura elevados. Elmetal fundido se vacía a través de canales de alimentación. Después de lasolidificación se abren los moldes y se extrae la pieza colada. Para enfriar elmolde se emplean medios especiales incluyendo el agua o el uso de aletassimilares a las que se encuentran en los motores de motocicletas o decortadores de césped para enfriar el motor.

Aunque la operación de fundición en molde permanente se puede llevar a cabomanualmente el proceso se puede automatizar para grandes lotes deproducción .Este proceso se utiliza principalmente para aleaciones dealuminio, magnesio, cobre debidos a sus puntos de fusión por lo generalinferiores.

También se puede fundir aceros utilizando moldes de grafito o de metalresistente al calor.

Este proceso produce tasa elevadas de producción, fundiciones con buenacabado superficial buenas tolerancias dimensionales y propiedadesmecánicas uniformes y buenas. Piezas típicas que se fabrican incluyen lospistones automotrices, las cabezas de cilindros, bielas, losa discos en brutopara engranajes enseres domésticos y los utensilios de cocina. Las piezas quese pueden fabricar económicamente en general pesan menos de 25 Kg.Aunque se han hecho fundiciones especiales que pesan unos cuantos eventosde kg. Utilizando este proceso.

A pesar de que los costos por equipo pueden ser altos debido a los costosde los dados, los costos por mano de obra pueden mantenerse reducidosmecanizando el proceso.La fundición en molde permanente no es económica para pequeños lotes deproducción y debido a la dificultad de extraer la fundición del molde, no es

posible fundir formas complejas utilizando este proceso. Sin embargo sepueden utilizar corazones de arena fácilmente colapsables y extraíbles de lasfundiciones para dejar cavidades internas complejas.

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FUNDICIÓN EN CASCARA O HUECO

La fundición en cascara se desarrolló durante y desde la segunda guerramundial, y ha crecido de manera significativa, ya que pueden producir a bajocosto muchos tipos de fundición con estrechas tolerancias dimensionales yun buen acabado superficial. En este proceso un modelo montado hecho deun metal ferroso o de aluminio es calentado a 175°C hasta 370°C esrecubierto con un agente separador como el silicón, y se sujeta a una caja ouna cámara, la caja contiene arena fina mezclada con 2.5 a 4 % deaglutinante de resina termoestable (como el fenolformaldehído), la caja sevoltea alrededor del modelo y se forma una capa, después de un fracción de

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minuto, se vuelca el modelo para quitar el exceso. El espesor de la capadepende del tiempo en que permanezca en el modelo la masa de material yes común ya sea de 5 a 10 mm según se requiera para el trabajo.La cascara se levanta del molde el cual se limpia y se rocía con uncompuesto de silicón de partición con el fin de prepararlo para la siguiente

cascara. Un método de moldeo en cascara es soplar el material demoldeo en el modelo, el material puede depositarse uniformementeforzarse en formas intrincadas y controlarse en cantidad. Un método mássimple consiste en colocar la cara caliente del modelo hundiéndola en elmaterial de moldeo enrasado en una caja parcialmente llena. Se vierte lacaja después del tiempo requerido y entonces se revierte.

Las cascaras de semicaja superior y semicaja inferior se hacen para que  juntos formen un molde .Con frecuencia se pegan con adhesivo paraproducción, el espesor de la película adhesiva puede variar de 0.25 a 0.5mm., lo cual no es deseable para colados de precisión. Los moldesempastados juntos deben embeberse en arena o en granalla si se necesita

refuerzo para contrarrestar la presión hidrostática del metal. Los moldes paralos colados de precisión se engrapan juntos y en la producción se sostienenen dispositivos de metal de respaldo, especial para colados grandes.

VENTAJAS DEL MOLDEO EN CASCARA

El moldeo en cascara es más caro en la mayoría de los casos que elmoldeo en arena verde. Esto se debe a que el material de moldeo cuestade cuatro a cinco veces lo que vale la arena sola. Parte de este costo perono todo se ahorra debido a ciertas ventajas del moldeo en cascara. Losmoldes son ligeros, fáciles de manejar, los gases escapan con facilidad a

través de las cascaras delgadas y se desperdician menos colados conrechupes o bolsas; y el proceso se adapta con facilidad a la mecanización.El costo del modelo en cascara se justifica para muchos trabajos y puedenhacerse mejor que con el moldeo en arena. Las formas complejas y partesintrincadas que no pueden colarse en arena pueden hacerse por moldeo encascara, se deja menos material innecesario para el maquinado, por lotanto los colados en moldeo en cascara sufren menos variación en lassecciones transversales y tienden a tener capas superficiales más suavesque los colados hechos en moldes de arena. La elevada calidad de la piezaterminada puede reducir de manera significativa los costos de acabado ymaquinado.

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Unidad II Procesos de Fundición de Metales

FUNDICIÓN CENTRIFUGA

La fundición centrífuga se hace colando meta fundido en un molde giratorio.El metal fundido se vacía por el centro y es obligado a pasar al molde debidoa la fuerza centrífuga. Las propiedades de las fundiciones varían en funciónde la distancia del eje de rotación. La fuerza centrífuga crea presiones que

exceden la gravedad para empujar el metal dentro del molde. Ejemplo. Unaaleación de aluminio que gira a cerca de 2600 rpm está sujeta a una presiónaproximada de 250 kPa. (36 ksi) aproximadamente a 100 mm (4 pulg.)diámetro y es más grande a diámetros mayores.El colado centrífugo produce colados exactos de buena calidad y ahorramaterial, los colados son densos y tienen una estructura de grano fino conpropiedades físicas altas y uniformes y están menos sujetos a lasvariaciones direccionales que los colados estáticos. El metal fluye confacilidad dentro de las secciones delgadas y los colados salen con detallefino en la superficie exterior. Los gases y la escoria se expulsan saliendodel metal más pesado y las impurezas flotan en la superficie interior del

colado de la cual pueden cortarse después. No son necesariascompuertas ni bebederos para suministrar una columna de presión ycasi pueden eliminarse. Se ha encontrado que esto significa un ahorro de40 % y más en el metal vertido.

Todos los metales comunes pueden colarse por centrifugación en moldes demetal o de refractario. Un método es introducir un lodo cerámico en el molderotatorio y centrifugarlo para formar un revestimiento compacto antes de quese vierta el metal. Se obtiene con rapidez y facilidad la rotación respecto a uneje vertical. Conforme el metal fluido gira se forma un cuenco paraboloidepequeño en el fondo.

Las superficies exteriores pueden ser redondas cuadradas o hexagonales, ydeben ser concéntricas con el agujero. Los agujeros redondos puedenformarse sin corazones y puede ahorrarse un gasto considerable paraagujeros grandes, pero los agujeros de otras formas necesitan tener corazones. El procedimiento de colado centrífugo resulta de un costo muyelevado y solo se justifica para grandes producciones o para trabajos en ser 

FUNDICIÓN CON COLADO CONTÍNUO

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Unidad II Procesos de Fundición de MetalesLa fundición por colado continuo consiste en verter el metal fundido enun extremo de un molde de metal abierto en ambos extremos, enfriarlocon rapidez y extraer el producto sólido en un largo continuo por el otroextremo. Estos se hace con cobre, latón, bronce aluminio y en un grado cadavez mayor en hierro colado y acero.

El principio de colado continuo se lleva a cabo en varias formas que difierenen detalles. En la figura se muestra un proceso típico para aleaciones conbase de cobre, llamado proceso asarco. El metal fluye en un molde o dadodesde abajo de la superficie de una carga en un horno de contención quemantiene flotante la escoria. El metal fluye a través de una trayectoriatortuosa en el horno para proteger el molde de los efectos de salpicadodurante el vertido. La parte inferior del molde está encamisada con agua y elmetal solidifica con rapidez. El colado solidificado se jala a lo largo avelocidad controlada por los rodillos extractores. El proceso se inicia conuna barra sustituto en el molde sobre la cual el primer metal se vierte y seenfría. Los metales como el hierro y el acero que conducen el calor con

lentitud comparativa solidifican solo en la profundidad de cascara mientrasestán en el molde un lapso práctico de tiempo. Se rocían con agua y sesolidifican por completo después de salir del molde. Algunos sistemasemplean moldes vibratorios o reciprocantes para evitar que se pegue elcolado. Algunos moldes están curvados y el colado se enfila a una posiciónhorizontal donde pasa a través de rodillos que lo enderezan. Por último elproducto se hace para varios propósitos. Es adecuado en particular paracualesquier forma de sección transversal uniforme, redonda, cuadrada,rectangular, hexagonal, estriada, ascalonada, endentada para engranajes,macisas huecas etc.

Un uso creciente es producir lingotes, placas y losas para rolar perfiles estructurales. Los perfiles colados en forma continua puedencortarse al largo y acabarse por maquinado liviano (por ejemplo bujes yengranajes para bombas). Un colado continuo ofrece varias ventajas. Surendimiento en perfiles rolados es 10% o más arriba del rolado a partir delingotes.Una cantidad apreciable en el extremo de cada lingote debe cortarse ydevolverse al horno debido a su porosidad, falta de solidez, y contenido deimpurezas.

La estructura del colado continuo es dendrítica como en otros colados, peroes  más densa y uniforme que en los colados individuales porque la longitud

entera  recibe el mismo tratamiento en el mismo molde. Las propiedadesfísicas y los acabados de superficie son comparables con los obtenidos enotros procesos en molde de metal.El colado continuo en forma esencial es automático, y es bajo en costounitario de mano de obra.El costo completo de una planta para fundir con electricidad y colar enforma continua y poder producir una aleación de alta calidad al régimende 1.4 Gg. (3.000.000 lib.) por año es de varios millones de dólares.

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Unidad II Procesos de Fundición de Metales

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Unidad III Procesos de Fundición de Metales

HORNOS DE FUNDICIONDEFECTOS Y SEGURIDAD INDUSTRIAL

Hornos de combustibleHornos eléctricosDe arco (directo e indirecto)De resistenciaDe Inducción

Hornos de crisolHornos cubilotesDefectos de fundición clasificación.Seguridad Industrial en las fundidoras.Examen

INTRODUCCIÓN

La fusión consiste en hacer pasar los metales y sus aleaciones del estadosólido al estado líquido, generando determinada cantidad de calor, biendefinida y característica para cada metal y aleación.Después de que se ha alcanzado la temperatura o punto de fusión esnecesario generar calor para poder transformar el metal o la aleación de sólidoen líquido. Durante este período, la temperatura no aumenta, y la cantidad decalor generada, destinada solamente a disgregar el estado sólido, se llamaCALOR LATENTE DE FUSIÓN.Es la cantidad de calor necesaria expresada en calorías, para elevar 1 ºC (de +

14,5 a + 15,5 ºC) un kilogramo de metal se llama calor especifico del metal oaleación y se expresa en Kcal/ Kg. ºC.

HORNOS DE COMBUSTIBLE

Las fuentes de calor en estos hornos son los combustibles (coque, leña, carbónde leña, fuel-oil, gas-oil, metano, metano-butano)La temperatura máxima se obtiene cuando la combustión es completa, es decir cuando es lo más próxima a la teórica o sea sin exceso ni de combustible ni decomburente.Cada tipo de combustible tiene una particular temperatura teórica de la llama yésta, en cada caso debe ser superior al punto de fusión del metal que hay quefundir.Por ejemplo la fundición gris funde a 1200 º C y por ello la llama de los diversoscombustibles empleados para fundirla y recalentarla debe tener unatemperatura de alrededor de 1800 º C para compensar toda clase de pérdidade calor.

La temperatura teórica de la llama puede calcularse con mucha aproximación.

Para calentar de t a t1ºC el peso P en Kg de un cuerpo de calor específico C

(Kcal/ Kg. ºC) hace falta una cantidad de calor Q.Ing. Patricio Quezada M. Laboratorio de Fundición ESPE- 2008 72

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Unidad III Procesos de Fundición de Metales

Q = P.C. (t1- t) Kcal.

Si se supone que el cuerpo tenía una temperatura inicial igual a 0º es decir t =0º tenemos:

Q = P.C.t1 Kcal.

Donde: t1 = Q / P.C ºC

Cuando se quema un combustible se desarrollan gases de combustión; el pesode estos productos se representan por P1, P2, P3 y su calor específico por C1,

C2, C3 con lo cual obtenemos:

t1 = Q / (P1+P2 + P3) (C1, C2, C3) º C.

Dado que los calores específicos de los gases de combustión son algo distintos

unos de otros, en su conjunto puede dárseles un valor medio de 0,24.Por lo tanto la fórmula simplificada será:

t1 = Q / P. 0.24 º C.

Donde: P = P1+P2 + P3 es la suma de los pesos de los diversos gases decombustión.

Ejemplo:

¿Cual es la temperatura de la llama del carbono que arde en oxígeno puro?C + O2 = CO2 + 8100 Kcal por kg. De carbono12 Kg. + 32 Kg = 44 Kg. + 8100 Kcal por kg. De carbonoPor lo tanto 1 Kg. de C proporciona 3,67 Kg de CO2.Fijando el calor específico del CO2 gas en 0.32 tendremos:

t1 = 8100 / 3.67 x 0.32 = 6900 ºC.

estos valores teóricos se cumplen siempre y cuando durante la combustión nose disperse hacia el exterior ninguna parte de calor.

El generador de oxígeno para la combustión es el aire y más adelante se verácomo los hornos para alcanzar sus temperaturas máximos necesitan utilizaciónde precalentado. Un horno calentado a fuego directo contiene un pequeño hogar abierto dondese calienta la carga de metal mediante un quemador que se localiza al lado obajo el crisol.

El techo del horno contribuye a la acción del calentamiento reflejando la llamahacia abajo contra la carga. El combustible típico es el gas natural, diesel, losproductos de la combustión salen a través de una chimenea, en el fondo del

hogar hay un orificio de colada que deja salir el metal fundido. Los hornos

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Unidad III Procesos de Fundición de Metales

calentados a fuego directo se usan para fundir metales no ferrosos comoaleaciones de cobre y aluminio.

GRAFICO DE UN HORNO DE COMBUSTIBLE

 

HORNOS ELECTRICOS

Los hornos eléctricos son los más usados en fundición, la fuente de calor es unarco eléctrico continuo que se forma entre los electrodos y el metal cargado.Se dispone de varias configuraciones y se los clasifica en :

Hornos eléctricos de arcoHornos eléctricos de resistenciaHornos eléctricos de inducción.

Hornos eléctricos de arco se consiguen en varios diseños; el tipo máseconómico es de arco directo que se indica en la figura.

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Unidad III Procesos de Fundición de Metales

Estos hornos tienen tapas removibles para cargarlos por arriba, el sangrado serealiza inclinando el horno. Existen normalmente de tres electrodos de grafito

que pueden ser de hasta 750 mm ( 30 pulg ) diámetro y de 1 .5 a 2-5 mts. delongitud, Su altura dentro del horno se puede ajustar en respuesta a lacantidad de metal presente y al desgaste de los electrodos.En el horno eléctrico se introduce chatarra de hierro y acero junto con losingredientes aleantes (adecuados para tal composición) y la piedra caliza(fundente) el techo se cierra y se bajan los electrodos. Se establece la conexióny dentro de un período de aproximadamente 2 horas el metal se funde. Lacorriente es desconectada, se elevan los electrodos, el horno es inclinado y elmetal fundido es vaciado en un recipiente de traslado hacia los moldes.La capacidad de los hornos eléctricos va de 60 a 90 toneladas de acero por día. La calidad del acero producido es mejor que el de hogar abierto.

HORNOS DE RESISTENCIA

En este tipo de hornos el calor esoriginado por la corriente que recorre loshilos, electrodos de aleaciones múltiplesespeciales o de grafito envueltos enespiral o doblados en S a fin de quepuedan desarrollar la máxima longituden el mínimo espacio, teniendo presente

que la resistencia de un conductor en ohmios es proporcional a su longitud L, asu resistencia específica  ρ  e inversamente proporcional a su sección S.

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Unidad III Procesos de Fundición de Metales

o h m i RS 

 L. ρ =  

Las aleaciones metálicas que se pueden utilizar son el cromoniquel ( 20 /80 % )o bien cromo-silicio- aluminio- cobalto.

La temperatura máxima de trabajo que pueden resistir para un trabajo continuose encuentra entre los 1000 y 1300 ºC . De esto se desprende la posibilidad deconstruir hornos para fundir aluminio, magnesio, Zinc, y aleaciones derivadascuyo punto de fusión oscila entre los 400 y 700 º C.Los hornos son de construcción distinta según el empleo que se vaya a dar.Este tipo de horno se utiliza actualmente en fundiciones que trabajan conaleaciones ligeras porque en el mismo se puede regular automáticamente lanecesaria temperatura de trabajo y mantener limpio el hogar del horno.

HORNOS DE INDUCCIÓN

Un horno de inducción usa corriente alterna a través de una bobina que generaun campo magnético en el metal, el resultado de la corriente inducida causa unrápido calentamiento y la fusión del metal. El campo de fuerzaelectromagnético provoca una acción de mezclado en el metal líquido. Ademáscomo el metal no está en contacto directo con ningún elemento de calefacción,

se puede controlar cuidadosamente el ambiente donde tiene lugar la fusión. Elresultado es una fundición de alta calidad y pureza. Los hornos de inducción seusan para casi cualquier aleación cuyos requerimientos de calidad seanimportantes.Sus aplicaciones para fundir aleaciones de acero, hierro gris nodular yaluminio son las más comunes que se pueden hacer.

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Unidad III Procesos de Fundición de Metales

HORNO DE CRISOL

Es el tipo más sencillo de horno se funde el metal, sin entrar en contacto conlos gases de combustión. Por esta razón se llaman algunas veces hornoscalentados indirectamente.Hay tres tipos de hornos de crisol que se utilizan en los talleres de fundición:

Tipo crisol móvil Estacionario o fijo Basculante o inclinable

Todos los tres tipos de hornos utilizan un recipiente (crisol) hecho de unmaterial refractario apropiado (ejemplo, mezcla de arcilla y grafito) o aceroaleado de alta temperatura para contener la carga.En el horno de crisol móvil, el crisol se coloca en un horno que usa aceite, gaso carbón pulverizado para fundir la carga metálica.El horno e crisol estacionario con quemador integrado (stationary pot furnace)

el horno es estacionario y el metal fundido se cucharea fuera del recipiente.En el horno de crisol basculante con quemador integrado el dispositivo enterose puede inclinar para vaciar la carga, éstos son utilizados para metales noferrosos, el latón y aleaciones de zinc y aluminio.

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HORNO DE CUBILOTE

Un cubilote es un horno cilíndrico vertical de acero recubierto de refractario, esel más usado en la fundición de hierro colado. Es también el más antiguo delos hornos para la refusión del hierro colado, si bien el progreso y la experienciahan sugerido muchas modificaciones que han cambiado el aspecto de loscubilotes modernos con respecto a los antiguos.La construcción general y características de operación no es complicada yaque utiliza materiales que se pueden encontrar fácilmente en el mercado.La carga que utiliza está constituida por hierro, coque, fundente y otroselementos de aleación que se cargan a través de una puerta ubicada en laparte superior.El coque constituye el combustible para calentar el horno a través de lasaberturas cerca del fondo de la carcasa se introduce aire forzado para lacombustión del coque. El fundente es cal, compuesto alcalino que reaccionacon la ceniza de coque y otras impurezas para formar la escoria, que sirve para

cubrir la fundición, protegiéndola de reaccionar con la atmósfera interior delcubilote y reduciendo las pérdidas de calor.Los cubilotes operan de manera continua, tienen elevadas velocidades defusión y producen grandes cantidades de metal líquido.

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SELECCIÓN DEL HORNO

Para la selección adecuada del horno se requiere tomar en consideraciónvarios factores que pueden influir de manera significativa en la calidad de lasfundiciones, así como la economía de las operaciones de fundición.Dentro de las necesidades la selección de un horno en general depende de lossiguientes factores entre otros:

a) Consideraciones económicas, como costo inicial, costos de operación ymantenimiento, costos de combustibles.

b) La composición y el punto de fusión de la aleación a fundir, así como lafacilidad para controlar sus características químicas.

c) El control de la atmósfera del horno para evitar contaminación del metal.d) La capacidad y la rapidez de fusión requeridas.e) Consideraciones de tipo ecológico como contaminación del aire y ruido.f) Suministro de energía y su disponibilidad.g) Facilidad de sobrecalentamiento del metal.h) Tipo de material de carga que es posible utilizar.

COMPROBACIÓN DE LAS PIEZASLas piezas después del desmoldeo y antes de ser entregadas a los clientesdeben ser sometidas a una aprobación, esto es, a una cuidadosa verificación ycomprobación de las propiedades mecánicas y tecnológicas requeridas.Uno de los proceso de comprobación puede ser a través de las pruebas oensayos no Destructivos.El primer ensayo que se realiza es el visual para descubrir defectos groseros onotorios, como superficies rugosas, rechupes, sopladuras, y desalineamientos,roturas y en general defectos observables a simple vista.

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Pruebas No Destructivas (PND)

Como su nombre lo indica, las PND son pruebas o ensayos de carácter NOdestructivo, que se realizan a los materiales, ya sean éstos metales, plásticos(polímeros), cerámicos o compuestos. Este tipo de pruebas, generalmente se

emplea para determinar cierta característica física o química del material encuestión.

Las principales aplicaciones de las PND las encontramos en:

• Detección de discontinuidades (internas y superficiales).

• Determinación de composición química.

• Detección de fugas.

• Medición de espesores y monitoreo de corrosión.

• Adherencia entre materiales.

• Inspección de uniones soldadas.

Las PND son sumamente importantes en él continúo desarrollo industrial.Gracias a ellas es posible, por ejemplo, determinar la presencia defectos en losmateriales o en las soldaduras de equipos tales como recipientes a presión, enlos cuales una falla catastrófica puede representar grandes pérdidas en dinero,

vida humana y daño al medio ambiente.

Tipo de Prueba Abreviación en Español

Inspección Visual IV

Líquidos Penetrantes LP

Pruebas Magnéticas PM

Ultrasonido UT

Pruebas Radiográficas RX

Pruebas Electromagnéticas PE

Pruebas de Fuga PFEmisión Acústica EA

Pruebas Infrarrojas PI

Inspección visual

La inspección visual (IV), es sin duda una de las Pruebas No Destructivas(PND) más ampliamente utilizada, ya que gracias a esta, uno puede obtener información rápidamente, de la condición superficial de los materiales que seestén inspeccionando, con el simple uso del ojo humano.

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Durante la IV, en muchas ocasiones, el ojo humano recibe ayuda de algúndispositivo óptico, ya sea para mejorar la percepción de las imágenes recibidaspor el ojo humano (anteojos, lupas, etc.) o bien para proporcionar contactovisual en áreas de difícil acceso, tal es el caso de la IV del interior de tuberíasde diámetro pequeño, en cuyo caso se pueden utilizar boroscopios, ya sean

estos rígidos o flexibles, pequeñas videocámaras, etc.

Es importante marcar que, el personal que realiza IV debe tener conocimientosobre los materiales que esté inspeccionando, así como también, del tipo deirregularidades o discontinuidades a detectar en los mismos. Con esto,podemos concluir que el personal que realiza IV debe tener cierto nivel deexperiencia en la ejecución de la IV en cierta aplicación.

Líquidos Penetrantes

El método o prueba de líquidos penetrantes (LP), se basa en el principio físico

conocido como "Capilaridad " y consiste en la aplicación de un líquido, conbuenas características de penetración en pequeñas aberturas, sobre lasuperficie limpia del material a inspeccionar. Una vez que ha transcurrido untiempo suficiente, como para que el líquido penetrante recién aplicado, penetreconsiderablemente en cualquier abertura superficial, se realiza una remoción olimpieza del exceso de líquido penetrante, mediante el uso de algún materialabsorbente (papel, trapo, etc.) y, a continuación se aplica un líquidoabsorbente, comúnmente llamado revelador, de color diferente al líquidopenetrante, el cual absorberá el líquido que haya penetrado en las aberturassuperficiales.

Por consiguiente, las áreas en las que se observe la presencia de líquidopenetrante después de la aplicación del líquido absorbente, son áreas quecontienen discontinuidades superficiales (grietas, perforaciones, etc.)

En general, existen dos principales técnicas del proceso de aplicación de losLP: la diferencia entre ambas es que, en una se emplean líquidos penetrantesque son visibles a simple vista ó con ayuda de luz artificial blanca y, en lasegunda, se emplean líquidos penetrantes que solo son visibles al ojo humanocuando se les observa en la oscuridad y utilizando luz negra o ultravioleta, locual les da un aspecto fluorescente.

Estas dos principales técnicas son comúnmente conocidas como: LíquidosPenetrantes Visibles y Líquidos Penetrantes Fluorescentes. Cada una de estas,pueden a su vez, ser divididas en tres subtécnicas: aquellas en las que seutiliza líquidos removibles con agua, aquellas en las que se utiliza líquidosremovibles con solvente y aquellas en las que se utilizan líquidospostemulsificables. Cada una de las técnicas existentes en el método de LP,tiene sus ventajas, desventajas y sensibilidad asociada. En general, la elecciónde la técnica a utilizar dependerá del material en cuestión, el tipo dediscontinuidades a detectar y el costo. En la siguiente tabla se muestran lastécnicas de aplicación de los LP.

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Técnica

Sub-Técnica

Líquidos Visibles

Lavables con agua

Lavables son solvente

Post-emulsificables

Líquidos Fluorescentes

Lavables con agua

Lavables son solvente

Post-emulsificables

Las pruebas con tintas penetrantes para determinar fisuras o discontinuidadesabiertas a la superficie.

PRUEBAS MAGNÉTICAS

Este método de Prueba No Destructiva, se basa en el principio físico conocidocomo Magnetismo, el cual exhiben principalmente los materiales ferrosos comoel acero y, consiste en la capacidad o poder de atracción entre metales. Esdecir, cuando un metal es magnético, atrae en sus extremos o polos a otrosmetales igualmente magnéticos o con capacidad para magnetizarse.

De acuerdo con lo anterior, si un material magnético presenta discontinuidadesen su superficie, éstas actuarán como polos, y por tal, atraerán cualquier material magnético o ferromagnético que esté cercano a las mismas. De estaforma, un metal magnético puede ser magnetizado local o globalmente y se lepueden esparcir sobre su superficie, pequeños trozos o diminutas PartículasMagnéticas y así observar cualquier acumulación de las mismas, lo cual esevidencia de la presencia de discontinuidades sub-superficiales y/osuperficiales en el metal.

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Este método de PND está limitado a la detección de discontinuidades

superficiales y en algunas ocasiones sub-superficiales. Así mismo, suaplicación también se encuentra limitada por su carácter magnético, es decir,solo puede ser aplicada en materiales ferromagnéticos. Aún así, este métodoes ampliamente utilizado en el ámbito industrial y algunas de sus principalesaplicaciones las encontramos en:

• El control de calidad o inspección de componentes maquinados.

• La detección discontinuidades en la producción de soldaduras.

• En los programas de inspección y mantenimiento de componentes

críticos en plantas químicas y petroquímicas (Recipientes a presión,tuberías, tanques de almacenamiento, etc.)

• La detección de discontinuidades de componentes sujetos a cargascíclicas (Discontinuidades por Fatiga).

En general, existen dos principales medios o mecanismos mediante los cualesse puede aplicar las partículas magnéticas, estos son: vía húmeda y vía seca.Cuando las partículas se aplican en vía húmeda, éstas normalmente seencuentran suspendidas en un medio líquido tal como el aceite o el agua. En la

aplicación de las partículas magnéticas vía seca, éstas se encuentransuspendidas en aire.

Así mismo, existen dos principales tipos de partículas magnéticas: aquellas queson visibles con luz blanca natural o artificial y aquellas cuya observación debeser bajo luz negra o ultravioleta, conocidas comúnmente como partículasmagnéticas fluorescentes.

Cada medio de aplicación (húmedo o seco) y cada tipo de partículasmagnéticas (visibles o fluorescentes) tienen sus ventajas y desventajas. Elmedio y el tipo de partículas a utilizar lo determinan distintos factores entre

ellos podemos enunciar: el tamaño de las piezas a inspeccionar, el área ainspeccionar, el medio ambiente bajo el cual se realizará la prueba, el tipo dediscontinuidades a detectar y el costo. El personal que realiza este tipo depruebas, generalmente realiza un análisis de los factores anteriores paradeterminar cuál es el medio y tipo optimo de partículas magnéticas a utilizar para cierta aplicación específica. Otro factor importante a considerar, es laforma o mecanismo mediante el cual se magnetizarán las piezas o el área ainspeccionar, lo cual puede conseguirse de distintas formas, ya sea mediante eluso de un yugo electromagnético, puntas de contacto, imanes permanentes,etc.Pruebas con partículas magnéticas para detectar fisuras superficiales osubsuperficiales en materiales ferromagnéticos.

ULTRASONIDO

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El método de Ultrasonido se basa en la generación, propagación y detecciónde ondas elásticas (sonido) a través de los materiales. En la figura , se muestraun sensor o transductor acústicamente acoplado en la superficie de unmaterial. Este sensor, contiene un elemento piezo-eléctrico, cuya función esconvertir pulsos eléctricos en pequeños movimientos o vibraciones, las cuales

a su vez generan sonido, con una frecuencia en el rango de los megahertz(inaudible al oído humano). El sonido o las vibraciones, en forma de ondaselásticas, se propaga a través del material hasta que pierde por completo suintensidad ó hasta que topa con una interfase, es decir algún otro material talcomo el aire o el agua y, como consecuencia, las ondas pueden sufrir reflexión,refracción, distorsión, etc. Lo cual puede traducirse en un cambio de intensidad,dirección y ángulo de propagación de las ondas originales.

De esta manera, es posible aplicar el método de ultrasonido para determinar 

ciertas características de los materiales tales como:

• Velocidad de propagación de ondas.

• Tamaño de grano en metales.

• Presencia de discontinuidades (grietas, poros, laminaciones, etc.)

•

Adhesión entre materiales.• Inspección de soldaduras.

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• Medición de espesores de pared.

Como puede observarse, con el método de ultrasonido es posible obtener unaevaluación de la condición interna del material en cuestión. Sin embargo, elmétodo de ultrasonido es más complejo en práctica y en teoría, lo cual

demanda personal calificado para su aplicación e interpretación de indicacioneso resultados de prueba

RADIOGRAFÍA

La radiografía como método de prueba no destructivo, se basa en la capacidadde penetración que caracteriza principalmente a los Rayos X  y a los Rayos Gama. Con este tipo de radiación es posible irradiar un material y, siinternamente, este material presenta cambios internos considerables comopara dejar pasar, o bien, retener dicha radiación, entonces es posibledeterminar la presencia de dichas irregularidades internas, simplemente

midiendo o caracterizando la radiación incidente contra la radiación retenida oliberada por el material.

Comúnmente, una forma de determinar la radiación que pasa a través de unmaterial, consiste en colocar una película radiográfica, cuya función es cambiar de tonalidad en el área que recibe radiación. Este mecanismo se puedeobservar más fácilmente en la figura de abajo. En la parte de arriba seencuentra una fuente radiactiva, la cual emite radiación a un material metálico,el cual a su vez presenta internamente una serie de poros, los cuales por contener aire o algún otro tipo de gas, dejan pasar más cantidad de radiaciónque en cualquier otra parte del material. El resultado queda plasmado en lapelícula radiográfica situada en la parte inferior del material metálico.

Como puede observarse el método de radiografía es sumamente importante,ya que nos permite obtener una visión de la condición interna de los materiales.

De aquí que sea ampliamente utilizada en aplicaciones tales como:• Medicina.

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• Evaluación de Soldaduras.

• Control de calidad en la producción de diferentes productos.

• Otros

Sin embargo, este método también tiene sus limitaciones. El equipo necesariopara realizar una prueba radiográfica puede representar una seria limitación sise considera su costo de adquisición y mantenimiento. Más aún, dado que eneste método de prueba se manejan materiales radiactivos, es necesario contar con un permiso autorizado para su uso, así como también, con detectores deradiación para asegurar la integridad y salud del personal que realiza laspruebas radiográficas

PRUEBAS ELECTROMAGNÉTICAS

Las pruebas electromagnéticas se basan en la medición o caracterización deuno o más campos magnéticos generados eléctricamente e inducidos en elmaterial de prueba. Distintas condiciones, tales como discontinuidades odiferencias en conductividad eléctrica pueden ser las causantes de la distorsióno modificación del campo magnético inducido.

La técnica más utilizada en el método electromagnético es la de Corrientes deEddy. Esta técnica puede ser empleada para identificar una amplia variedad decondiciones físicas, estructurales y metalúrgicas en materiales metálicosferromagnéticos y en materiales no metálicos que sean eléctricamente

conductores. De esta forma, la técnica se emplea principalmente en ladetección de discontinuidades superficiales. Sus principales aplicaciones seencuentran en la medición o determinación de propiedades tales como laconductividad eléctrica, la permeabilidad magnética, el tamaño de grano,dureza, dimensiones físicas, etc., también sirve para detectar, traslapes,grietas, porosidades e inclusiones.

Este tipo de pruebas ofrecen la ventaja de que los resultados de prueba seobtienen casi en forma instantánea, además dado que lo único que se requierees inducir un campo magnético, no hay necesidad de tener contacto directo conel material de prueba, con esto se minimiza la posibilidad de causar algún daño

al material de prueba. Sin embargo, la técnica está limitada a la detección dediscontinuidades superficiales y a materiales conductores.

PRUEBAS DE FUGA

Las pruebas de detección de fugas son un tipo de prueba no destructiva que seutiliza en sistemas o componentes presurizados o que trabajan en vacío, parala detección, localización de fugas y la medición del fluido que escapa por éstas. Las fugas son orificios que pueden presentarse en forma de grietas,fisuras, hendiduras, etc., donde puede recluirse o escaparse algún fluido.

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La detección de fugas es de gran importancia, ya que una fuga puede afectar laseguridad o desempeño de distintos componentes y reducen enormemente suconfiabilidad.

El propósito de estas pruebas es asegurar la confiabilidad y servicio de

componentes y prevenir fallas prematuras en sistemas que contienen fluidostrabajando a presión o en vació. Los componentes o sistemas a los cualesgeneralmente se les realiza pruebas de detección fugas son:

Recipientes y componentes herméticos

Para prevenir la entrada de contaminación o preservar internamente los fluidoscontenidos. Por ejemplo: dispositivos electrónicos, circuitos integrados, motoresy contactos sellados.

Sistemas herméticos

P ara prevenir la pérdida de los fluidos contenidos. Por ejemplo: sistemashidráulicos y de refrigeración; en la industria petroquímica: válvulas, tuberías yrecipientes.

Recipientes y componentes al vacío

Para asegurar si existe un deterioro rápido del sistema de vacío con el tiempo.Por ejemplo: tubos de rayos catódicos, artículos empacados en vacío y juntasde expansión.

Sistemas generadores de vacío

Para asegurar que las fugas se han minimizado y mejorar su desempeño.

Las pruebas de fuga comúnmente utilizadas se basan en uno o más de lossiguientes principios:

TIPOS DE PRUEBAS DE FUGA

Ultrasonido

Este ensayo comúnmente se aplica en la detección de fugas de gas en líneasde alta presión. Dependiendo de la naturaleza de la fuga, el gas al escapar,produce una señal ultrasónica que puede detectarse con una sensibilidadaproximada de 10-3 cm3/s.

 Por Burbujeo

Este ensayo se basa en el principio de generación o liberación de aire o gas deun contenedor, cuando este se encuentra sumergido en un líquido. Se empleanfrecuentemente en instrumentos presurizados, tuberías de proceso y

recipientes. Es una prueba más bien cualitativa que cuantitativa, ya que esdifícil determinar el volumen de la fuga.

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Por Tintas Penetrantes

Consiste en rociar tintas penetrantes en las zonas de alta presión donde sedesea detectar fugas. Si existe alguna fuga, la presión diferencial del sistemahará filtrar la tinta hacia el lado de baja presión del espécimen ensayado.

Por Medición de Presión

Este tipo de prueba se utiliza para determinar si existen flujos de fugaaceptables, determinar si existen condiciones peligrosas y para detectar componentes y equipo defectuoso. Se puede obtener una indicación de fugarelativamente exacta al conocer el volumen y presión del sistema y los cambiosde presión respecto al tiempo que provoca la fuga.

Algunas ventajas de este método son que se puede medir el flujo total de lafuga independientemente del tamaño del sistema y que no es necesario utilizar 

fluidos trazadores.

Por Detección de Halógenos (Diodo de Halógeno)

Este tipo de prueba es más sensitivo que los anteriores. Fugas tan pequeñascomo 10-5 cm3/s pueden detectarse con facilidad. Las dos limitantes de esteensayo son que se necesitan gases de trazado especiales y el uso decalentadores de alta temperatura, lo cual resulta inconveniente en ambientespeligrosos.

Por Espectrómetro de Helio

Se considera la técnica de detección de fugas, tanto industrial como delaboratorio, más versátil. Tiene las mismas limitantes que el ensayo por detección de halógenos porque se requiere de helio como gas de trazado y, eltubo del espectrómetro se mantiene a alta temperatura mediante filamentoscalefactores. Sin embargo, el helio es completamente inerte y menos caro quelos gases halógenos. La sensibilidad es del orden de 10-11 cm3/s.

Con Radioisótopos trazadores

En esta técnica se utilizan radioisótopos de vida corta como fluidos trazadorespara probar cavidades selladas herméticamente y circuitos cerrados de tubería.La pérdida de flujo o la detección del gas trazador en sitios no esperados son laevidencia de fuga. Esta técnica tiene la misma sensibilidad que el ensayo por Espectrómetro de Helio, aunque es más caro y es necesario establecer medidas de seguridad adecuadas debido a la radiación.

La selección del método a utilizar generalmente se basa en el tipo de fuga adetectar, el tipo de servicio del componente en cuestión y el costo de la prueba.En cualquier caso es necesario, al igual que en otros métodos de pruebas nodestructivas, que el personal que las realice este calificado en la aplicación de

las mismas

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EMISIÓN ACÚSTICA

Hoy en día, uno de los métodos de pruebas no destructivas más recientes y,que ha venido teniendo gran aplicación a nivel mundial en la inspección de unaamplia variedad de materiales y componentes estructurales, es sin duda el

método de Emisión Acústica (EA).

Este método detecta cambios internos en los materiales o dicho de otramanera, detecta micro-movimientos que ocurren en los materiales cuando por ejemplo: existe un cambio micro-estructural, tal como lo son lastransformaciones de fase en los metales, el crecimiento de grietas, la fracturade los frágiles productos de corrosión, cedencia, deformación plástica, etc. Ladetección de estos mecanismos mediante EA, se basa en el hecho de quecuando ocurren, parte de la energía que liberan es transmitida hacia el exterior del material en forma de ondas elásticas (sonido), es decir, emiten sonido(emisión acústica). La detección de estas ondas elásticas se realiza mediante

el uso de sensores piezo-eléctricos, los cuales son instalados en la superficiedel material. Los sensores, al igual que en el método de ultrasonido, conviertenlas ondas elásticas en pulsos eléctricos y los envía hacia un sistema deadquisición de datos, en el cual se realiza el análisis de los mismos (ver figuraabajo).

RAYOS INFRARROJOS

La principal técnica empleada en las pruebas infrarrojas es la TermografíaInfrarroja (TI). Esta técnica se basa en la detección de áreas calientes o fríasmediante el análisis de la parte infrarroja del espectro electromagnético. Laradiación infrarroja se transmite en forma de calor mediante ondaselectromagnéticas a través del espacio. De esta forma, mediante el uso deinstrumentos capaces de detectar la radiación infrarroja, es posible detectar discontinuidades superficiales y sub-superficiales en los materiales.

Generalmente, en la técnica de TI se emplean una o más cámaras queproporcionan una imagen infrarroja (termograma), en cual las áreas calientesse diferencian de las áreas frías por diferencias en tonalidades

De esta forma uno puede obtener un termograma típico de una pieza o

componente sin discontinuidades. Posteriormente, si hubiese algunadiscontinuidad, ésta interrumpirá el flujo o gradiente térmico normal, lo cualserá evidente en el termograma.

La técnica de TI ofrece grandes ventajas: no se requiere contacto físico, laprueba se efectúa con rapidez incluso en grandes áreas, los resultados de laprueba se obtienen en forma de una imagen o fotografía, lo cual agiliza laevaluación de los mismos.

En general, existen dos principales técnicas de TI: La termografía pasiva y latermografía activa.

Termografía Consiste en simplemente obtener un termograma del

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Pasiva

componente en cuestión, sin la aplicación de energía. Elcomponente por si mismo proporciona la energía para generar la imagen infrarroja. Ejemplos de la aplicación de ésta técnicalos encontramos por ejemplo en la evaluación de un motor funcionando, maquinaria industrial, conductores eléctricos, etc.

TermografíaActiva

En esta técnica, para obtener un termograma, es necesarioinducir cierta energía al material o componente en cuestión.Muchos componentes, dadas sus condiciones de operación yservicio, son evaluados en forma estática o a temperaturaambiente, lo cual da lugar a que el termograma que seobtenga, presente un patrón o gradiente térmico uniforme, esen este tipo de situaciones en que la termografía activa tieneuso. Así, esta técnica puede ser empleada en la detección delaminaciones o inclusiones, las cuales representan variacionesen conducción de calor y por lo tanto son evidentes en el

termograma.

Hoy en día la termografía infrarroja se utiliza exitosamente en numerosasaplicaciones, entre las cuales podemos nombrar: discontinuidades sub-superficiales y superficiales como la corrosión, resistencia eléctrica,inclusiones, pérdida de material, grietas, esfuerzos residuales, deficiencias enespesores de recubrimiento, etc. El principal inconveniente puede ser el costodel equipo. Sin embargo, los resultados se obtienen rápidamente y laevaluación es relativamente sencilla, por lo que no se requiere muchoentrenamiento en el uso y aplicación de la técnica

Pruebas por medio de Radiografía Industrial y Ultrasonido para detectar fisuras,inclusiones, porosidades internas en diferentes tipos de materiales, dondepodemos cuantificar la profundidad del defecto.Después de realizar estas pruebas podemos certificar la calidad de la fundición,así como también el porcentaje de piezas defectuosas y realizar nuevamenteel proceso de fundición.En toda empresa que se dedique al proceso de fundición deben poner sumaatención a la eliminación o al menos reducir al máximo el porcentaje de piezascon defectos ya que esto representa una pérdida de tiempo, materiales ydinero.

Para remediar estas situaciones todas las piezas con defectos son recogidas,analizadas y examinadas por los jefes responsables interesados en:a) Diagnosticar los defectosb) Eliminar las causas que los han provocado.c) Evaluar pesos y formas de las piezas fundidas.

El diagnostico de los defectos es una labor muy ardua que requiere vastaexperiencia amplios conocimientos de métodos, herramientas, y capacitación alpersonal de la empresa.

Es importante recordar que el control de calidad de una pieza fundida, tiene si

inicio en el mismo momento que elaboramos el proyecto inicial de la misma.

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Un control de calidad bien llevado en una fundición trae grandes beneficiospara la empresa como son:

Producción de piezas fundidas dentro de los niveles de calidadpreestablecidos.

Asegura la confianza en el producto y garantiza la reputación del

fabricante. Aumenta los ingresos en la empresa.

Los defectos son numerosos puesto que cada uno puede ser provocado por muchas causas

DEFECTOS DE FUNDICIÓN

Existen algunos defectos de fundición en cada uno de los procesos que se losdescribe a continuación:

1. Llenado incompleto, este defecto aparece en una fundición quesolidificó antes de completar el llenado de la cavidad del molde. Lascausas típicas incluyen 1) fluidez insuficiente del metal fundido, 2) bajatemperatura de vaciado, 3) vaciado que se realiza lentamente, y 4)sección transversal de la cavidad del molde muy delgada.

2. Junta fría, aparece cuando dos porciones del metal fluyen al mismotiempo, pero hay una falta de fusión entre ellas debido a la solidificacióno enfriamiento prematuro, sus causa son similares a las de llenadoincompleto.

3. Metal granoso o gránulos frío, aparecen las salpicaduras durante elvaciado haciendo que se formen glóbulos de metal que quedanatrapados en la fundición.

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4. Cavidad por contracción, es una depresión de la superficie o un huecointerno en la fundición debido a la contracción por solidificación querestringe la cantidad de metal fundido disponible en la última región quesolidifica, esto ocurre cerca de la parte superior de la fundición llamadatambién como rechupe, corrigiendo este defecto con un correcto diseñode la mazarota.

5. Microporosidad, son unos pequeños huecos distribuidos a través de lafundición, debido a la contracción por solidificación.

6. Desgarramiento el caliente, llamado también agrietamiento en caliente,

ocurre cuando un molde que no cede durante las etapas finales de lasolidificación, se manifiesta como una separación del metal en un punto

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donde existe una alta concentración de esfuerzos causada por indisponibildad del metal para contraerse naturalmente.

 Algunos defectos se relacionan con el uso de molde de arena , por lo tanto solo ocurren en la fundición en arena y en otros procesosde moldeo pero en muy bajo porcentaje.

7. Sopladuras. Este defecto es una cavidad de gas en forma de pelotacausada por un escape de gases del molde durante el vaciado. Ocurreen la parte superior de las fundiciones o cerca de ella. La bajapermeabilidad, pobre ventilación y el alto contenido de humedad en laarena del molde son las principales causas.

8. Puntos de Alfiler. Es un defecto similar al de las sopladuras queinvolucra la formación de numerosas cavidades pequeñas de gas en lasuperficie de la fundición o ligeramente por debajo de ella.

9. Caídas de arena. Este defecto provoca una irregularidad en la superficiede la fundición, que resulta de la erosión del molde de arena durante elvaciado. El contorno de la erosión se imprime en la superficie de lafundición final.

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10. Costras. Son áreas rugosas en la superficie de la fundición debidas a laincrustación de arena y metal, éstas son causadas por desprendimientosde la superficie del molde que se descascaran durante la solidificación yquedan adheridas a la superficie de la fundición.

11. Penetración. Cuando la fluidez del metal líquido es muy alta, éste puedepenetrar en el molde o en el corazón de arena. Después de lasolidificación, la superficie de la fundición presenta una mezcla de granosde arena y metal. Una mejor compactación del molde de arena ayuda aevitar este defecto.

12. Corrimiento del molde. Se manifiesta como un escalón en el plano deseparación del producto fundido, causado por el desplazamiento lateraldel semimolde superior con respecto al inferior.

13. Corrimiento del corazón. Un movimiento similar puede suceder con elcorazón pero el desplazamiento es generalmente vertical. El corrimientodel corazón y del molde son causados por la flotación del metal fundido.

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Unidad III Procesos de Fundición de Metales

14. Molde agrietado (venas y relieve). Si la resistencia del molde esinsuficiente, se puede desarrollar una grieta en la que el metal líquidopuede entrar para formar una aleta en la fundición final.

SEGURIDAD EN LAS FUNDIDORAS

La seguridad en las fundidoras es un factor muy importante a la hora de hacer un análisis del proceso de fundición.

Entre otros factores tenemos los siguientes:

El polvo de la arena y otros compuestos utilizados en el colado.

Es necesario acondicionar una ventilación adecuada y equipo de seguridadpersonal.Los gases provenientes de los metales fundidos así como las salpicadurasdurante las transferencias y el vaciado en los moldes.La presencia de combustibles para los hornos, el control de su presión y laoperación correcta de válvulas.La presencia de agua y humedad en crisoles, moldes y otros sitios de planta,ya que rápidamente se transforma en vapor creando un severo peligro deexplosión.El manejo inadecuado de fundentes que son higroscópicos y son un peligro alabsorber humedad.

Inspección de equipo, como los pirómetros en función de su precisión ycalibración adecuadas.

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Unidad III Procesos de Fundición de Metales

La necesidad de un adecuado equipo de seguridad personal, guantes,delantales, batas, cobertores faciales, y zapatos de seguridad.

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BIBLIOGRAFIA

J DUPONCHELLE Manual del Fundidor de Metales, GUSTAVO GIL EDITORBARCELONA ESPAÑA. 1932.KALPAKJIAN SEROPE Manufactura, Ingeniería y Tecnología. EdiciónPearson Educación, Cuarta Edición 2002.MALISHEV Tecnología de los Metales, Editorial MIR Moscú 1983.

APRAIZ BARREIRO JOSE Fundiciones 6ª Edición 1998-

EDOARDO CAPELO Tecnologia de la FundiciónDOYLE LAWRENCE , KEYSER CARL Materiales y Procesos de Manufactura

Para Ingenieros Tercera Edición 1998.

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CEMBRERO G JESUS, Ciencia y Tecnología de los Materiales. Pearson Prentice Hill

2005

www.google.com/ fundición metales no ferrosos.

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