Instituto Tecnológico de Tuxtla Gutiérrez.

Ingeniería Mecánica.

Procesos de Manufactura.

M. en C. Roberto Carlos García Gómez

Unidad 2

La Siderurgia, es una tecnología relacionada con la producción del hierro y sus aleaciones, en especial las que contienen un pequeño porcentaje de carbono, que constituyen los diferentes tipos de acero. A veces, las diferencias entre las distintas clases de hierro y acero resultan confusas por la nomenclatura empleada. En general, el acero es una aleación de hierro y carbono a la que suelen añadirse otros elementos. Algunas aleaciones denominadas ‘hierros’ contienen más carbono que algunos aceros comerciales. El hierro de crisol abierto y el hierro forjado contienen un porcentaje de carbono de sólo unas centésimas. Los distintos tipos de acero contienen entre el 0,04 y el 2,25% de carbono. El hierro colado, el hierro colado maleable y el arrabio contienen entre un 2 y un 4% de carbono. Hay una forma especial de hierro maleable que no contiene casi carbono alguno. Para fabricar aleaciones de hierro y acero se emplea un tipo especial de aleaciones de hierro denominadas ferroaleaciones, que contienen entre un 20 y un 80% del elemento de aleación, que puede ser manganeso, silicio o cromo.

HISTORIA

No se conoce con exactitud la fecha en que se descubrió la técnica de fundir mineral de hierro para producir un metal susceptible de ser utilizado. Los primeros utensilios de hierro descubiertos por los arqueólogos en Egipto datan del año

3000 a.C., y se sabe que antes de esa época se empleaban adornos de hierro. Los griegos ya conocían hacia el 1000 a.C. la técnica, de cierta complejidad, para endurecer armas de hierro mediante tratamiento térmico.

Las aleaciones producidas por los primeros artesanos del hierro (y, de hecho, todas las aleaciones de hierro fabricadas hasta el siglo XIV d.C.) se clasificarían en la actualidad como hierro forjado. Para producir esas aleaciones se calentaba una masa de mineral de hierro y carbón vegetal en un horno o forja con tiro forzado. Ese tratamiento reducía el mineral a una masa esponjosa de hierro metálico llena de una escoria formada por impurezas metálicas y cenizas de carbón vegetal. Esta esponja de hierro se retiraba mientras permanecía incandescente y se golpeaba con pesados martillos para expulsar la escoria y soldar y consolidar el hierro. El hierro producido en esas condiciones solía contener un 3% de partículas de escoria y un 0,1% de otras impurezas. En ocasiones esta técnica de fabricación producía accidentalmente auténtico acero en lugar de hierro forjado. Los artesanos del hierro aprendieron a fabricar acero calentando hierro forjado y carbón vegetal en recipientes de arcilla durante varios días, con lo que el hierro absorbía suficiente carbono para convertirse en acero auténtico.

Después del siglo XIV se aumentó el tamaño de los hornos utilizados para la fundición y se incrementó el tiro para forzar el paso de los gases de combustión por la carga o mezcla de materias primas. En estos hornos de mayor tamaño el mineral de hierro de la parte superior del horno se reducía a hierro metálico y a continuación absorbía más carbono como resultado de los gases que lo atravesaban. El producto de estos hornos era el llamado arrabio, una aleación que funde a una temperatura menor que el acero o el hierro forjado. El arrabio se refinaba después para fabricar acero.

La producción moderna de acero emplea altos hornos que son modelos perfeccionados de los usados antiguamente. El proceso de refinado del arrabio mediante chorros de aire se debe al inventor británico Henry Bessemer, que en 1855 desarrolló el horno o convertidor que lleva su nombre. Desde la década de 1960 funcionan varios minihornos que emplean electricidad para producir acero a partir de material de chatarra. Sin embargo, las grandes instalaciones de altos hornos continúan siendo esenciales para producir acero a partir de mineral de hierro.

PRODUCCIÓN DE ARRABIO.

Los materiales básicos empleados para fabricar arrabio son mineral de hierro, coque y caliza. El coque se quema como combustible para calentar el horno, y al arder libera monóxido de carbono, que se combina con los óxidos de hierro del mineral y los reduce a hierro metálico. La ecuación de la reacción química fundamental de un alto horno es

Fe2O3 + 3 CO → 3 CO2 + 2 Fe

La caliza de la carga del horno se emplea como fuente adicional de monóxido de carbono y como sustancia fundente. Este material se combina con la sílice presente en el mineral (que no se funde a las temperaturas del horno) para formar silicato de calcio, de menor punto de fusión. Sin la caliza se formaría

silicato de hierro, con lo que se perdería hierro metálico. El silicato de calcio y otras impurezas forman una escoria que flota sobre el metal fundido en la parte inferior del horno. El arrabio producido en los altos hornos tiene la siguiente composición: un 92% de hierro, un 3 o 4% de carbono, entre 0,5 y 3% de silicio, del 0,25% al 2,5% de manganeso, del 0,04 al 2% de fósforo y algunas partículas de azufre.

Un alto horno típico está formado por una cápsula cilíndrica de acero forrada con un material no metálico y resistente al calor, como asbesto o ladrillos refractarios. El diámetro de la cápsula disminuye hacia arriba y hacia abajo, y es máximo en un punto situado aproximadamente a una cuarta parte de su altura total. La parte inferior del horno está dotada de varias aberturas tubulares llamadas toberas, por donde se fuerza el paso del aire. Cerca del fondo se encuentra un orificio por el que fluye el arrabio cuando se sangra (o vacía) el alto horno. Encima de ese orificio, pero debajo de las toberas, hay otro agujero para retirar la escoria. La parte superior del horno, cuya altura es de unos 30 m, contiene respiraderos para los gases de escape, y un par de tolvas redondas, cerradas por válvulas en forma de campana, por las que se introduce la carga en el horno. Los materiales se llevan hasta las tolvas en pequeñas vagonetas o cucharas que se suben por un elevador inclinado situado en el exterior del horno.

Los altos hornos funcionan de forma continua. La materia prima que se va a introducir en el horno se divide en un determinado número de pequeñas cargas que se introducen a intervalos de entre 10 y 15 minutos. La escoria que flota sobre el metal fundido se retira una vez cada dos horas, y el hierro se sangra cinco veces al día.

El aire insuflado en el alto horno se precalienta a una temperatura comprendida entre los 550 y los 900 ºC. El calentamiento se realiza en las llamadas estufas, cilindros con estructuras de ladrillo refractario. El ladrillo se calienta durante varias horas quemando gas de alto horno, que son los gases de escape que salen de la parte superior del horno. Después se apaga la llama y se hace pasar el aire a presión por la estufa. El peso del aire empleado en un alto horno supera el peso total de las demás materias primas.

Después de la II Guerra Mundial se introdujo un importante avance en la tecnología de altos hornos: la presurización de los hornos. Estrangulando el flujo de gas de los respiraderos del horno es posible aumentar la presión del interior del horno hasta 1,7 atmósferas o más. La técnica de presurización permite una mejor combustión del coque y una mayor producción de hierro. En muchos altos hornos puede lograrse un aumento de la producción de un 25%. En instalaciones experimentales también se ha demostrado que la producción se incrementa enriqueciendo el aire con oxígeno.

El proceso de sangrado consiste en retirar a golpes un tapón de arcilla del orificio del hierro cercano al fondo del horno y dejar que el metal fundido fluya por un canal cubierto de arcilla y caiga a un depósito metálico forrado de ladrillo, que puede ser una cuchara o una vagoneta capaz de contener hasta 100 toneladas de metal. Cualquier escoria o sobrante que salga del horno junto con el metal se elimina antes de llegar al recipiente. A continuación, el contenedor lleno de arrabio se transporta a la fábrica siderúrgica.

Los altos hornos modernos funcionan en combinación con hornos básicos de oxígeno, y a veces con hornos de crisol abierto, más antiguos, como parte de una única planta siderúrgica. En esas plantas, los hornos siderúrgicos se cargan con arrabio. El metal fundido procedente de diversos altos hornos puede mezclarse en una gran cuchara antes de convertirlo en acero con el fin de minimizar el efecto de posibles irregularidades de alguno de los hornos.

OTROS MÉTODOS DE REFINADO DEL HIERRO.

Aunque casi todo el hierro y acero que se fabrica en el mundo se obtiene a partir de arrabio producido en altos hornos, hay otros métodos de refinado del hierro que se han practicado de forma limitada. Uno de ellos es el denominado método directo para fabricar hierro y acero a partir del mineral, sin producir arrabio. En este proceso se mezclan mineral de hierro y coque en un horno de calcinación rotatorio y se calientan a una temperatura de unos 950 ºC. El coque caliente desprende monóxido de carbono, igual que en un alto horno, y reduce los óxidos del mineral a hierro metálico. Sin embargo, no tienen lugar las reacciones secundarias que ocurren en un alto horno, y el horno de calcinación produce la llamada esponja de hierro, de mucha mayor pureza que el arrabio. También puede producirse hierro prácticamente puro mediante electrólisis haciendo pasar una corriente eléctrica a través de una disolución de cloruro de hierro (II). Ni el proceso directo ni el electrolítico tienen importancia comercial significativa.

PROCESO DE CRISOL ABIERTO.

Cualquier proceso de producción de acero a partir de arrabio consiste en quemar el exceso de carbono y otras impurezas presentes en el hierro. Una dificultad para la fabricación del acero es su elevado punto de fusión, 1.400 ºC, que impide utilizar combustibles y hornos convencionales. Para superar la dificultad se desarrolló el horno de crisol abierto, que funciona a altas temperaturas gracias al precalentado regenerativo del combustible gaseoso y el aire empleados para la combustión. En el precalentado regenerativo los gases que escapan del horno se hacen pasar por una serie de cámaras llenas de ladrillos, a los que ceden la mayor parte de su calor. A continuación se invierte el flujo a través del horno, y el combustible y el aire pasan a través de las cámaras y son calentados por los ladrillos. Con este método, los hornos de crisol abierto alcanzan temperaturas de hasta 1.650 ºC.

El horno propiamente dicho suele ser un crisol de ladrillo plano y rectangular de unos 6 × 10 m, con un techo de unos 2,5 m de altura. Una serie de puertas da a una planta de trabajo situada delante del crisol. Todo el crisol y la planta de trabajo están situados a una altura determinada por encima del suelo, y el espacio situado bajo el crisol lo ocupan las cámaras de regeneración de calor del horno. Un horno del tamaño indicado produce unas 100 toneladas de acero cada 11 horas.

El horno se carga con una mezcla de arrabio (fundido o frío), chatarra de acero y mineral de hierro, que proporciona oxígeno adicional. Se añade caliza como

fundente y fluorita para hacer que la escoria sea más fluida. Las proporciones de la carga varían mucho, pero una carga típica podría consistir en 60.000 kg de chatarra de acero, 11.000 kg de arrabio frío, 45.000 kg de arrabio fundido, 12.000 kg de caliza, 1.000 kg de mineral de hierro y 200 kg de fluorita. Una vez cargado el horno, se enciende, y las llamas oscilan de un lado a otro del crisol a medida que el operario invierte su dirección para regenerar el calor.

Desde el punto de vista químico la acción del horno de crisol abierto consiste en reducir por oxidación el contenido de carbono de la carga y eliminar impurezas como silicio, fósforo, manganeso y azufre, que se combinan con la caliza y forman la escoria. Estas reacciones tienen lugar mientras el metal del horno se encuentra a la temperatura de fusión, y el horno se mantiene entre 1.550 y 1.650 ºC durante varias horas hasta que el metal fundido tenga el contenido de carbono deseado. Un operario experto puede juzgar el contenido de carbono del metal a partir de su aspecto, pero por lo general se prueba la fundición extrayendo una pequeña cantidad de metal del horno, enfriándola y sometiéndola a examen físico o análisis químico. Cuando el contenido en carbono de la fundición alcanza el nivel deseado, se sangra el horno a través de un orificio situado en la parte trasera. El acero fundido fluye por un canal corto hasta una gran cuchara situada a ras de suelo, por debajo del horno. Desde la cuchara se vierte el acero en moldes de hierro colado para formar lingotes, que suelen tener una sección cuadrada de unos 50 cm de lado, y una longitud de 1,5 m. Estos lingotes —la materia prima para todas las formas de fabricación del acero— pesan algo menos de 3 toneladas. Recientemente se han puesto en práctica métodos para procesar el acero de forma continua sin tener que pasar por el proceso de fabricación de lingotes.

PROCESO BÁSICO DE OXÍGENO.

El proceso más antiguo para fabricar acero en grandes cantidades es el proceso Bessemer, que empleaba un horno de gran altura en forma de pera, denominado convertidor Bessemer, que podía inclinarse en sentido lateral para la carga y el vertido. Al hacer pasar grandes cantidades de aire a través del metal fundido, el oxígeno del aire se combinaba químicamente con las impurezas y las eliminaba.

En el proceso básico de oxígeno, el acero también se refina en un horno en forma de pera que se puede inclinar en sentido lateral. Sin embargo, el aire se sustituye por un chorro de oxígeno casi puro a alta presión. Cuando el horno se ha cargado y colocado en posición vertical, se hace descender en su interior una lanza de oxígeno. La punta de la lanza, refrigerada por agua, suele estar situada a unos 2 m por encima de la carga, aunque esta distancia se puede variar según interese. A continuación se inyectan en el horno miles de metros cúbicos de oxígeno a velocidades supersónicas. El oxígeno se combina con el carbono y otros elementos no deseados e inicia una reacción de agitación que quema con rapidez las impurezas del arrabio y lo transforma en acero. El proceso de refinado tarda 50 minutos o menos, y es posible fabricar unas 275 toneladas de acero en una hora.

ACERO DE HORNO ELÉCTRICO.

En algunos hornos el calor para fundir y refinar el acero procede de la electricidad y no de la combustión de gas. Como las condiciones de refinado de

estos hornos se pueden regular más estrictamente que las de los hornos de crisol abierto o los hornos básicos de oxígeno, los hornos eléctricos son sobre todo útiles para producir acero inoxidable y aceros aleados que deben ser fabricados según unas especificaciones muy exigentes. El refinado se produce en una cámara hermética, donde la temperatura y otras condiciones se controlan de forma rigurosa mediante dispositivos automáticos. En las primeras fases de este proceso de refinado se inyecta oxígeno de alta pureza a través de una lanza, lo que aumenta la temperatura del horno y disminuye el tiempo necesario para producir el acero. La cantidad de oxígeno que entra en el horno puede regularse con precisión en todo momento, lo que evita reacciones de oxidación no deseadas.

En la mayoría de los casos, la carga está formada casi exclusivamente por material de chatarra. Antes de poder utilizarla, la chatarra debe ser analizada y clasificada, porque su contenido en aleaciones afecta a la composición del metal refinado. También se añaden otros materiales, como pequeñas cantidades de mineral de hierro y cal seca, para contribuir a eliminar el carbono y otras impurezas. Los elementos adicionales para la aleación se introducen con la carga o después, cuando se vierte a la cuchara el acero refinado.

Una vez cargado el horno se hacen descender unos electrodos hasta la superficie del metal. La corriente eléctrica fluye por uno de los electrodos, forma un arco eléctrico hasta la carga metálica, recorre el metal y vuelve a formar un arco hasta el siguiente electrodo. La resistencia del metal al flujo de corriente genera calor, que —junto con el producido por el arco eléctrico— funde el metal con rapidez. Hay otros tipos de horno eléctrico donde se emplea una espiral para generar calor.

PROCESOS DE ACABADO.

El acero se vende en una gran variedad de formas y tamaños, como varillas, tubos, raíles (rieles) de ferrocarril o perfiles en H o en T. Estas formas se obtienen en las instalaciones siderúrgicas laminando los lingotes calientes o modelándolos de algún otro modo. El acabado del acero mejora también su calidad al refinar su estructura 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 horno denominado foso de termodifusión y a continuación se hace pasar entre una serie de rodillos metálicos colocados en pares que lo aplastan hasta darle la forma y tamaño deseados. La distancia entre los rodillos va disminuyendo a medida que se reduce el espesor del acero.

El primer par de rodillos por el que pasa el lingote se conoce como tren de desbaste o de eliminación de asperezas. Después del tren de desbaste, el acero pasa a trenes de laminado en bruto y a los trenes de acabado que lo reducen a láminas con la sección transversal correcta. Los rodillos para producir raíles o rieles de ferrocarril o perfiles en H, en T o en L tienen estrías para proporcionar la forma adecuada.

Los procesos modernos de fabricación requieren gran cantidad de chapa de acero delgada. Los trenes o rodillos de laminado continuo producen tiras y láminas con anchuras de hasta 2,5 m. Estos laminadores procesan con rapidez la chapa de acero antes de que se enfríe y no pueda ser trabajada. Las planchas de acero caliente de más de 10 cm de espesor se pasan por una serie de cilindros que reducen progresivamente su espesor hasta unos 0,1 cm y aumentan su longitud de 4 a 370 metros. Los trenes de laminado continuo están equipados con una serie de accesorios como rodillos de borde, aparatos de decapado o eliminación y dispositivos para enrollar de modo automático la chapa cuando llega al final del tren. Los rodillos de borde son grupos de rodillos verticales situados a ambos lados de la lámina para mantener su anchura. Los

aparatos de decapado eliminan la costra que se forma en la superficie de la lámina apartándola mecánicamente, retirándola mediante un chorro de aire o doblando de forma abrupta la chapa en algún punto del recorrido. Las bobinas de chapa terminadas se colocan sobre una cinta transportadora y se llevan a otro lugar para ser recocidas y cortadas en chapas individuales. Una forma más eficiente para producir chapa de acero delgada es hacer pasar por los rodillos planchas de menor espesor. Con los métodos convencionales de fundición sigue siendo necesario pasar los lingotes por un tren de desbaste para producir planchas lo bastante delgadas para el tren de laminado continuo.

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

TUBOS

Los tubos más baratos se forman doblando una tira plana de acero caliente en forma cilíndrica y soldando los bordes para cerrar el tubo. En los tubos más pequeños, los bordes de la tira suelen superponerse y se pasan entre un par de rodillos curvados según el diámetro externo del tubo. La presión de los rodillos es suficiente para soldar los bordes. Los tubos sin soldaduras se fabrican a partir de barras sólidas haciéndolas pasar entre un par de rodillos inclinados entre los que está situada una barra metálica con punta, llamada mandril, que perfora las barras y forma el interior del tubo mientras los rodillos forman el exterior.

HOJALATA

El producto de acero recubierto más importante es la hojalata estañada que se emplea para la fabricación de latas y envases. El material de las latas contiene más de un 99% de acero. En algunas instalaciones, las láminas de acero se pasan por un baño de estaño fundido (después de laminarlas primero en caliente y luego en frío) para estañarlas. El método de recubrimiento más común es el proceso electrolítico. La chapa de acero se desenrolla poco a poco de la bobina y se le aplica una solución química. Al mismo tiempo se hace pasar una corriente eléctrica a través de un trozo de estaño puro situado en esa misma solución, lo que hace que el estaño se disuelva poco a poco y se deposite sobre el acero. Con este sistema, medio kilogramo de estaño basta para recubrir 20 metros cuadrados de acero. En la hojalata delgada, la chapa recibe un segundo laminado en frío antes de recubrirla de estaño, lo que aumenta la resistencia de la chapa además de su delgadez. Las latas hechas de hojalata delgada tienen una resistencia similar a las ordinarias, pero contienen menos acero, con lo que se reduce su peso y su coste. También pueden fabricarse envases ligeros adhiriendo una delgadísima lámina de acero estañado sobre papel o cartón.

Otros procesos de fabricación de acero son la forja, la fundición y el uso de troqueles.

HIERRO FORJADO

El proceso antiguo para fabricar la aleación resistente y maleable conocida como hierro forjado se diferencia con claridad de otras formas de fabricación de acero. Debido a que el proceso, conocido como pudelización, exigía un mayor

trabajo manual, era imposible producir hierro forjado en grandes cantidades. El desarrollo de nuevos sistemas con convertidores Bessemer y hornos de crisol abierto permitieron producir un volumen mayor de hierro forjado.

Sin embargo, el hierro forjado ya no se fabrica habitualmente con fines comerciales, debido a que se puede sustituir en casi todas las aplicaciones por acero de bajo contenido en carbono, con menor costo de producción y calidad más uniforme.

El horno de pudelización empleado en el proceso antiguo tiene un techo abovedado de poca altura y un crisol cóncavo en el que se coloca el metal en bruto, separado por una pared de la cámara de combustión donde se quema carbón bituminoso. La llama de la cámara de combustión asciende por encima de la pared, incide en el techo abovedado y reverbera sobre el contenido del crisol. Cuando el horno ha adquirido un calor moderado, el operario que maneja el horno recubre el crisol y las paredes con una pasta de óxido de hierro, por lo general hematites. A continuación, el horno se carga con unos 250 kg de arrabio y se cierra la puerta. Al cabo de unos 30 minutos, el arrabio se ha fundido, y el operario añade a la carga más óxido de hierro o residuos de laminado, mezclándolos con el hierro con una barra de hierro curvada. El silicio y la mayor parte del manganeso contenidos en el hierro se oxidan, y se elimina parte del azufre y el fósforo. A continuación se eleva un poco la temperatura del horno, y el carbono empieza a quemarse formando óxidos de carbono gaseosos. Según se desprende gas la escoria aumenta de volumen y el nivel de la carga sube. Al quemarse el carbono, la temperatura de fusión aumenta, y la carga se vuelve cada vez más pastosa y vuelve a su nivel anterior. A medida que se incrementa la pureza del hierro, el operario remueve la carga con la barra para garantizar una composición uniforme y una cohesión adecuada de las partículas. La masa resultante, pastosa y esponjosa, se divide en pedazos o bolas de unos 80 o 90 kg. Las bolas se retiran del horno con unas tenazas y se colocan directamente en una prensa que expulsa de la bola la mayor parte de la escoria de silicio mezclada y suelda entre sí los granos de hierro puro. A continuación se corta el hierro en piezas planas que se apilan unas sobre otras, se calientan hasta la temperatura de soldadura y se laminan para formar una sola pieza. A veces se repite el proceso de laminado para mejorar la calidad del producto.

La técnica moderna para fabricar hierro forjado emplea hierro fundido procedente de un convertidor Bessemer y escoria fundida, que suele prepararse fundiendo mineral de hierro, residuos de laminado y arena en un horno de crisol abierto. Cuando el hierro fundido, que lleva disuelta una gran cantidad de gas, se vierte en la cuchara que contiene la escoria fundida, el metal se solidifica de modo casi instantáneo y libera el gas disuelto. La fuerza ejercida por el gas hace estallar el metal en partículas diminutas que son más pesadas que la escoria y se acumulan en el fondo de la cuchara, donde se aglomeran formando una masa esponjosa similar a las bolas producidas en un horno de pudelización. Cuando se vierte la escoria de la parte superior de la cuchara se retira la bola de hierro y se la somete al mismo tratamiento que el producto del horno de pudelización.

CLASIFICACIÓN DEL ACERO

Los diferentes tipos de acero se agrupan en cinco clases principales: aceros al carbono, aceros aleados, aceros de baja aleación ultrarresistentes, aceros inoxidables y aceros de herramientas.

Aceros al carbono Más del 90% de todos los aceros son aceros al carbono. Estos aceros contienen diversas cantidades de carbono y menos del 1,65% de manganeso, el 0,60% de silicio y el 0,60% de cobre. Entre los productos fabricados con aceros al carbono figuran máquinas, carrocerías de automóvil, la mayor parte de las estructuras de construcción de acero, cascos de buques, somieres y horquillas o pasadores para el pelo.

Aceros aleados Estos aceros contienen una proporción determinada de vanadio, molibdeno y otros elementos, además de cantidades mayores de manganeso, silicio y cobre que los aceros al carbono normales. Estos aceros se emplean, por ejemplo, para fabricar engranajes y ejes de motores, patines o cuchillos de corte.

Aceros de baja aleación ultrarresistentes Esta familia es la más reciente de las cinco grandes clases de acero. Los aceros de baja aleación son más baratos que los aceros aleados convencionales ya que contienen cantidades menores de los costosos elementos de aleación. Sin embargo, reciben un tratamiento especial que les da una resistencia mucho mayor que la del acero al carbono. Por ejemplo, los vagones de mercancías fabricados con aceros de baja aleación pueden transportar cargas más grandes porque sus paredes son más delgadas que lo que sería necesario en caso de emplear acero al carbono. Además, como los vagones de acero de baja aleación pesan menos, las cargas pueden ser más pesadas. En la actualidad se construyen muchos edificios con estructuras de aceros de baja aleación. Las vigas pueden ser más delgadas sin disminuir su resistencia, logrando un mayor espacio interior en los edificios.

Aceros inoxidables Los aceros inoxidables contienen cromo, níquel y otros elementos de aleación, que los mantienen brillantes y resistentes a la herrumbre y oxidación a pesar de la acción de la humedad o de ácidos y gases corrosivos. Algunos aceros inoxidables son muy duros; otros son muy resistentes y mantienen esa resistencia durante largos periodos a temperaturas extremas. Debido a sus superficies brillantes, en arquitectura se emplean muchas veces con fines decorativos. El acero inoxidable se utiliza para las tuberías y tanques de refinerías de petróleo o plantas químicas, para los fuselajes de los aviones o para cápsulas espaciales. También se usa para fabricar instrumentos y equipos quirúrgicos, o para fijar o sustituir huesos rotos, ya que resiste a la acción de los fluidos corporales. En cocinas y zonas de preparación de alimentos los utensilios son a menudo de acero inoxidable, ya que no oscurece los alimentos y pueden limpiarse con facilidad.

Aceros de herramientas Estos aceros se utilizan para fabricar muchos tipos de herramientas y cabezales de corte y modelado de máquinas empleadas en diversas operaciones de fabricación. Contienen volframio,

molibdeno y otros elementos de aleación, que les proporcionan mayor resistencia, dureza y durabilidad.

ESTRUCTURA DEL ACERO

Las propiedades físicas de los aceros y su comportamiento a distintas temperaturas dependen sobre todo de la cantidad de carbono y de su distribución en el hierro. Antes del tratamiento térmico, la mayor parte de los aceros son una mezcla de tres sustancias: ferrita, perlita y cementita. La ferrita, blanda y dúctil, es hierro con pequeñas cantidades de carbono y otros elementos en disolución. La cementita, un compuesto de hierro con el 7% de carbono aproximadamente, es de gran dureza y muy quebradiza. La perlita es una profunda mezcla de ferrita y cementita, con una composición específica y una estructura característica, y sus propiedades físicas son intermedias entre las de sus dos componentes. La resistencia y dureza de un acero que no ha sido tratado térmicamente depende de las proporciones de estos tres ingredientes. Cuanto mayor es el contenido en carbono de un acero, menor es la cantidad de ferrita y mayor la de perlita: cuando el acero tiene un 0,8% de carbono, está por completo compuesto de perlita. El acero con cantidades de carbono aún mayores es una mezcla de perlita y cementita. Al elevarse la temperatura del acero, la ferrita y la perlita se transforman en una forma alotrópica de aleación de hierro y carbono conocida como austenita, que tiene la propiedad de disolver todo el carbono libre presente en el metal. Si el acero se enfría despacio, la austenita vuelve a convertirse en ferrita y perlita, pero si el enfriamiento es repentino la austenita se convierte en martensita, una modificación alotrópica de gran dureza similar a la ferrita pero con carbono en solución sólida.

TRATAMIENTO TÉRMICO DEL ACERO

El proceso básico para endurecer el acero mediante tratamiento térmico consiste en calentar el metal hasta una temperatura a la que se forma austenita, generalmente entre los 750 y 850 ºC, y después enfriarlo con rapidez sumergiéndolo en agua o aceite. Estos tratamientos de endurecimiento, que forman martensita, crean grandes tensiones internas en el metal, que se eliminan mediante el temple o el recocido, que consiste en volver a calentar el acero hasta una temperatura menor. El temple reduce la dureza y resistencia y aumenta la ductilidad y la tenacidad.

El objetivo fundamental del proceso de tratamiento térmico es controlar la cantidad, tamaño, forma y distribución de las partículas de cementita contenidas en la ferrita, que a su vez determinan las propiedades físicas del acero.

Hay muchas variaciones del proceso básico. Los ingenieros metalúrgicos han descubierto que el cambio de austenita a martensita se produce en la última fase del enfriamiento, y que la transformación se ve acompañada de un cambio de volumen que puede agrietar el metal si el enfriamiento es demasiado rápido. Se han desarrollado tres procesos relativamente nuevos para evitar el agrietamiento. En el templado prolongado, el acero se retira del baño de enfriamiento cuando ha alcanzado la temperatura en la que empieza a formarse la martensita, y a continuación se enfría despacio en el aire. En el martemplado, el acero se retira del baño en el mismo momento que el

templado prolongado y se coloca en un baño de temperatura constante hasta que alcanza una temperatura uniforme en toda su sección transversal. Después se deja enfriar el acero en aire a lo largo del rango de temperaturas de formación de la martensita, que en la mayoría de los aceros va desde unos 300 ºC hasta la temperatura ambiente. En el austemplado, el acero se enfría en un baño de metal o sal mantenido de forma constante a la temperatura en que se produce el cambio estructural deseado, y se conserva en ese baño hasta que el cambio es completo, antes de pasar al enfriado final.

Hay también otros métodos de tratamiento térmico para endurecer el acero. En la cementación, las superficies de las piezas de acero terminadas se endurecen al calentarlas con compuestos de carbono o nitrógeno. Estos compuestos reaccionan con el acero y aumentan su contenido de carbono o forman nitruros en su capa superficial. En la carburización la pieza se calienta cuando se mantiene rodeada de carbón vegetal, coque o de gases de carbono como metano o monóxido de carbono. La cianurización consiste en endurecer el metal en un baño de sales de cianuro fundidas para formar carburos y nitruros. La nitrurización se emplea para endurecer aceros de composición especial mediante su calentamiento en amoníaco gaseoso para formar nitruros de aleación.

La Fundición es un proceso de producción de piezas metálicas a través del vertido de metal fundido sobre un molde hueco, por lo general hecho de arena. La fundición es un antiguo arte que todavía se emplea en la actualidad, aunque ha sido sustituido en cierta medida por otros métodos como el fundido a presión, la forja, la extrusión, el mecanizado y el laminado.

En la actualidad, el sector industrial da trabajo a una tercera parte de la población activa de Indiana (EEUU) y es su principal actividad económica. Aquí, un trabajador revisa la producción acerera y vierte el acero fundido a 1.600 ºC. Las industrias constructora y del automóvil mantienen a flote la

industria del acero, ya que éste es el material para estructuras de uso más extendido.

En la cordillera andina, el subsuelo peruano es muy rico en minerales metálicos. Uno de los centros mineros más importantes del país lo constituye La Oroya (en la imagen), en el departamento de Junín. La fundición de cobre y plomo de La Oroya supone una fuente de ingresos económicos notable para Perú, aunque ha provocado serios daños al entorno medioambiental, dando lugar a una elevada contaminación de la ciudad y a la denudación de las laderas montañosas circundantes.

TIPOS DE FUNDICIÓN A LA ARENA Existen dos métodos diferentes por los cuales la fundición a la arena se puede producir. Se clasifica en fundición de tipo de modelo usado, ellos son: (1) modelo removible y (2) modelo disponible. En el método empleando modelo removible, la arena comprimida alrededor del modelo el cual se extrae más tarde de la arena. La cavidad producida se alimenta con metal fundido para crear la fundición. Los modelos desechables son hechos de poli estireno y en vez de extraer el modelo de la arena, se vaporiza cuando el metal fundido es vaciado en el molde. Para entender el proceso de fundición, es necesario conocer cómo se hace un molde y qué factores son importantes para producir una buena fundición. Los principales factores son: 1. Procedimiento de moldeo 2. Modelo 3. Arena 4. Corazones 5. Equipo Mecánico 6. Metal (Visto Previamente) 7. Vaciado y limpieza

PROCEDIMIENTO DE MOLDEO Los moldes se clasifican según los materiales usados. 1. Moldes de arena de verde. Es el método más común que consiste en la

formación del molde con arena húmeda, usada en ambos procedimientos previamente descritos. La figura siguiente muestra el procedimiento para la fabricación de este tipo de moldes.

2. Moldes con capa seca. Dos métodos son generalmente usados en la

preparación de moldes con capa seca. En uno, la arena alrededor del modelo a una profundidad aproximada de 10 mm se mezcla con un compuesto de tal manera que se seca y se obtiene una superficie dura en el molde. El resto del molde está hecho con arena en verde ordinaria. El otro método es hacer el molde entero de arena en verde y luego cubrir su superficie con un rociador de tal manera que se endurezca la arena cuando el calor es aplicado.

Los rociadores usados para es propósito contienen aceite de linaza, agua de melaza, almidón gelatinizado y soluciones líquidas similares. En ambos métodos el molde debe secarse de dos maneras: por aire o por una antorcha para endurecer la superficie y eliminar el exceso de humedad. 3. Moldes con arena seca Estos moldes son hechos enteramente de arena común de moldeo mezclada con un material aditivo similar al que se emplea en el método anterior. Los moldes deben ser cocidos totalmente antes de usarse, siendo las cajas de metal. Los moldes de arena seca mantienen esta forma cuando son vaciados y están libres de turbulencias de gas debidas a la humedad. Los moldes con capa seca y los moldes de arena seca son ampliamente usados en fundiciones de acero. 4. Moldes de arcilla. Los moldes de arcilla se usan para trabajos grandes. Primero se construye el molde con ladrillo o grandes partes de hierro. Luego, todas estas partes de emplastecen con una capa de mortero de arcilla, la forma del molde se empieza a obtener con una terraja o esqueleto del modelo. Luego se permite que el molde se seque completamente de tal manera que pueda

resistir la presión completa del metal vaciado. Estos moldes requieren de mucho tiempo para hacerse y su uso no es muy extenso. 5. Moldes furánicos. Este proceso es bueno para la fabricación de moldes

usando modelos y corazones desechables. La arena seca de grano agudo se mezcla con ácido fosfórico el cuan actúa como un acelerador. La resina furánica es agregada y se mezcla en forma continua el tiempo suficiente para distribuir la resina. El material de arena empieza a endurecerse casi de inmediato al aire, pero el tiempo demora lo suficiente para permitir el moldeo. El material usualmente se endurece de 1 a 2 h, tiempo suficiente para permitir alojar los corazones y que puedan ser removidos en el molde. En uso con modelos desechables la arena de resina furánica puede ser empleada como una pared o cáscara alrededor del modelo que estará soportado por arena de grano agudo o en verde o puede ser usada como el material completo del molde.

6. Moldes de C02. En este proceso la arena limpia se mezcla son silicato de

sodio y ésta es apisonada alrededor del modelo. Cuando el gas de C02 es alimentado a presión en el molde, la arena mezclada se endurece. Piezas de fundición lisas y de forma intrincada se pueden obtener por este método, aunque el proceso fue desarrollado originalmente para la fabricación de corazones.

7. Moldes de metal. Los moldes de metal se usan principalmente en fundición

en matriz de aleaciones de bajo punto de fusión. Las piezas de fundición se obtienen de formas exactas con una superficie fina, esto elimina mucho trabajo de maquinado.

8. Moldes especiales, plástico, cemento, yeso, papel, madera y hule todos

estos son materiales usados en moldes para aplicaciones particulares. Los procesos de moldes en fundición comercialmente ordinaria pueden ser clasificados como: 1. Moldeo en banco. Este tipo de moldeo es para trabajos pequeños, y se

hace en un banco de una altura conveniente para el moldeador. 2. Moldeo de piso. Cuando las piezas de fundición aumentan en tamaño,

resulta difícil su manejo, por consiguiente, el trabajo es hecho en el piso. Este tipo de moldeo se usa para prácticamente todas las piezas medianas y de gran tamaño.

3. Moldeo en fosa. Las piezas de fundición extremadamente grandes son

moldeadas en una fosa en vez de moldear en cajas. La fosa actúa como la base de la caja, y se usa una capa separadora encima de él, los lados de la fosa son una línea de ladrillos y en el fondo hay una capa gruesa de carbón con tubos de ventilación conectados al nivel del piso. Entonces los moldes de fosa pueden resistir las presiones que se desarrollan por el calor de los gases, esta práctica ahorra mucho en moldes costosos.

4. Moldeo en máquina. Las máquinas han sido construidas para hacer un

número de operaciones que el moldeador ordinariamente hace a mano, tales como apisonar la arena, voltear el molde completo, formar la alimentación, y sacar el modelo, todas estas operaciones pueden hacerse con la máquina mucho mejor y más eficientemente que a mano.

Modelos Removibles En la figura siguiente se ilustra un procedimiento simple para moldear un pistón de hierro fundido para hacer un buje. El molde para este disco se hace un una caja de moldeo, que consta de 2 partes. A la parte superior se le llama tapa, y a la parte inferior base. Si la caja la forman tres partes, a la del centro se le llama parte central. Las partes de la caja se mantienen en una posición definida, unas con respecto a las otras por medio de unos pernos colocados en dos lados opuestos de la base que encajan en agujeros de unos ángulos sujetos a los lados de las tapas.

El primer paso en la hechura de un molde es el de colocar el modelo en el tablero de moldear, que coincide con la caja de moldeo.

En seguida se coloca la tapa sobre el tablero con los pernos dirigidos hacia abajo, como se ven en la figura.

Luego se criba la arena sobre el modelo para que lo vaya cubriendo, la arena deberá compactarse con los dedos en torno al modelo, teminando de llenar completamente la tapa. Para moldes pequeños, la arena se compacta firmemente con apisonadores manuales. El apisonado mecánico se usa para moldes muy grandes y para moldeo de gran producción. El grado de apisonado necesario sólo se determina por la experiencia. Si el molde no ha sido lo suficientemente apisonado, no se mantendrá en su posición de moverlo o cuando el metal fundido choque

con él. Por otra parte, si el apisonado es muy duro no permitirá que escapen el vapor y el gas cuando penetre el metal fundido al molde.

Después que se ha terminado de apisonar, se quita el exceso de arena arrasándola con una barra recta llamada rasero. Para asegurar el escape de gases cuando se vierta el metal, se hacen pequeños agujeros a través de la arena, que llegan hasta unos cuantos milímetros antes del modelo.

Se voltea la mitad inferior del molde, de tal forma que la tapa se puede colocar en su posición y se termina el moldeo. Antes de voltearlo se esparce un poco de arena sobre el molde y se coloca en la parte superior un tablero inferior de moldeo. Este tablero deberá moverse hacia atrás y hacia delante varias veces para asegurar un apoyo uniforme sobre el molde. Entonces la caja inferior se voltea y se retira la tabla de moldeo quedando expuesto el modelo. La superficie de la arena es alisada con una cuchara de moldeador y se cubre con una capa fina seca de arena de separación. La arena de separación es una arena de grano fino seca y sin consistencia. Con ella se evita que se pegue la arena de la tapa sobre la de la base.

En seguida se coloca la tapa sobre la base como se ve en la figura, los pernos mantienen la posición correcta en ambos lados. Para proporcionar un conducto por donde entre el hierro al molde, se coloca un mango aguzado conocido como clavija de colada y es colocado aproximadamente a 25 mm de un lado del modelo. Las operaciones de llenado, apisonado agujerado para escape de gases, se llevan a cabo en la misma forma que en la base.

Con esto, el molde ha quedado completo excepto que falta quitar el modelo y la clavija de colada. Primero se extrae ésta, abocardándose el conducto por la parte superior, de manera que se tenga una gran abertura por donde verter el metal.

La mitad de la caja correspondiente a la mitad superior es levantada a continuación con mucho cuidado y se coloca a un lado. Antes de que sea extraído el modelo, se humedece con un pincel la arena alrededor de los bordes del modelo, de modo que la orilla del molde se mantenga firme al extraerlo. para alojar el modelo, se encaja en él una alcayata y se golpea ligeramente en todas direcciones. En seguida se puede extraer el modelo levantándolo de la alcayata.

Antes de cerrar el molde, debe cortarse un pequeño conducto conocido como alimentador, entre la cavidad del molde hecha por el modelo y la abertura de la colada. Este conducto se estrecha en el molde de tal forma que después que el hierro ha sido vertido, el metal en el alimentador se puede romper muy cerca de la pieza.

Para preveer la contracción del metal, algunas veces se hace un agujero en la tapa, el cual provee un suministro de metal caliente a medida que la pieza fundida se va enfriando, esta abertura es llamada rebosadero. La superficie del molde se debe rociar, untar o espolvorear con un material preparado para recubrimiento, dichos recubrimientos contienen por lo general polvo de sílice y grafito, pero su composición varía considerablemente dependiendo de la clase de material que se va a vaciar. La capa de recubrimiento del molde mejora el acabado de las superficies de colado y reduce los posibles defectos en las superficies.

El molde, deberá colocarse un peso sobre la tapa para evitar que el metal líquido salga fuera del molde en la línea de partición.

Modelos Desechables

En la fabricación de moldes con modelos desechables, el modelo, usualmente de una pieza, es colocado en el tablero y la base de la caja se moldea en la forma convencional.

Se agregan unos agujeros para ventilación y la base se voltea completamente para el moldeo de la tapa. Casi siempre la arena en verde es el material común más usado, aunque pueden usarse arenas especiales para otros propósitos, particularmente como arena de cara que se utiliza de inmediato alrededor del modelo.

La arena en la línea de partición no se aplica en la tapa de la caja y la base no puede ser separada hasta que la fundición es removida. En cambio, la tapa es llenada con arena y se apisona. En uno u otro caso, la colada es cortada en el sistema de alimentación o ambas, como usualmente sucede, ésta es una parte del modelo desechable.

Se hacen los agujeros para ventilación y se coloca. Algo de peso para oprimir la tapa. Los modelos de poliestireno, incluyen la alimentación y el sistema de colados. Se encuentran a la izquierda del molde.

La pieza moldeada es vaciada más bien rápidamente en la colada, el poliestireno se vaporiza. Y el metal llena el resto de la cavidad.

Después de enfriado, la fundición es eliminada del molde y limpiada. El metal es vaciado lo suficientemente rápido para prevenir la combustión del poliestireno, con el resultado de residuos carbonosos. En cambio, los gases, debido a la vaporización del material, son manejados hacia fuera a través de la arena permeable y los agujeros de ventilación. Un recubrimiento refractario se aplica comúnmente al modelo para asegurar un mejor acabado superficial para la fundición y le agrega resistencia al modelo.

Es obligatorio a veces que los pesos para oprimir el molde sean parejos en todos los lados para combatir la alta presión relativa en el interior del molde.

Las ventajas de este proceso incluyen lo siguiente: 1. Para una pieza no moldeada en máquina, el proceso requiere menos

tiempo. 2. No requiere de que se hagan tolerancias especiales para ayudar a extraer

el modelo de la arena, y se requiere menor cantidad de metal. 3. El acabado es uniforme y razonablemente liso. 4. No se requiere de modelos complejos de madera con partes sueltas. 5. 5. No se requieren cajas de corazón y corazones. 6. El moldeo se simplifica grandemente. Las desventajas incluyen lo siguiente: 1. El modelo es destruido en el proceso. 2. Los modelos son más delicados de manejar.

3. El proceso no puede ser usado con equipo de moldeo mecánico. 4. No puede ser revisado oportunamente el acabado de la cavidad. ENTRADAS, REBOSADEROS Y CARACTERÍSTICAS DE SOLIDIFICACION. Los conductos que llevan el metal vaciado a la cavidad del molde los cuales son conocidos como sistema de alimentación, está usualmente constituido por una vasija de vaciado, comunicado a un canal de bajada o conducto vertical conocido como bebedero, y a un canal a través del cual el metal fluye desde la base del bebedero a la cavidad del molde. En piezas grandes, de fundición un corredor puede usarse el cual toma el metal desde la base del bebedero y lo distribuye en varios canales localizados alrededor de la cavidad. el propósito de este sistema es, primeramente, colocar el metal dentro de la cavidad. Como quiera que sea, el diseño del sistema de alimentación es importante e involucra un número de factores. 1. El metal debe entrar a la cavidad con el mínimo de turbulencias como sea

posible, y cerca del fondo de la cavidad del molde en el caso de fundiciones pequeñas.

2. La erosión de los conductos o superficies de la cavidad deben ser evitadas

por regulación apropiada del flujo del metal, o por el uso de arena seca de corazones. Las entradas y corredores formados resisten mejor la erosión que aquellos que están cortados.

3. El metal debe entrar en la cavidad así como proporcionar una solidificación

direccional si es posible. La solidificación debe progresar desde la superficie del molde a la parte de metal más caliente de modo que allí es donde el metal caliente abastece para compensar la contracción.

4. Se debe prever que no entre la escoria u otras partículas extrañas a la

cavidad del molde. Una vasija de vaciado, próximo a la parte superior del agujero del bebedero, se obtiene para prever en los moldes grandes y facilitar el vaciado y eliminar la escoria para que no entre al molde. el metal debe ser vaciado de tal manera que la vasija de vaciado y el agujero del bebedero estén llenos todo el tiempo. Los canales desnatadores, tales como uno que muestra en la, pueden utilizarse para atrapar la escoria u otras pequeñas partículas dentro del segundo agujero del bebedero. El canal del molde está restringido de modo que todo el tiempo permite que las partículas floten en el rebosadero dentro del desnatador. Un colador que está hecho de arena seca cocida o de material de cerámica y que sólo puede usarse en la vasija de vaciado para controlar el flujo del metal y para permitir sólo la entrada del metal limpio.

PROCESOS DE FUNDICION Los rebosaderos que se obtienen proporcionan en los moldes la alimentación del metal líquido a la cavidad principal de la pieza para compensar las

contracciones. Estas pueden ser tan grandes en sección, así como el resto del metal líquido tan grande como sea posible, y pueden localizarse cerca de las secciones grandes que pueden estar sujetas a una gran contracción. Si estas se colocan en la parte superior de la sección, la gravedad puede ayudar a la alimentación del metal en la propia pieza fundida. Los rebosaderos ciegos son como rebosaderos con cúpula, se localizan en la mitad de la tapa de la caja, los cuales no tienen la altura completa de la tapa. Estos están por lo normal colocados directamente sobre el canal, donde el metal alimenta dentro de la cavidad del molde y entonces complementa el metal caliente cuando el vaciado está completándose. La contracción volumétrica usualmente ocurre cuando el metal se solidifica resultando una cavidad debido a la contracción si la solidificación no es dirigida, de modo que algunos huecos causados por la contracción toman lugar en el canal, rebosadero o bebedero. La contracción ocurre en el área donde el metal vaciado tiene una gran estancia. La figura siguiente se ilustra los gradientes de temperatura o líneas isotermas en una pieza fundida y las direcciones del flujo de calor del metal solidificado a la arena. En cada caso los huecos de contracción causados pueden ocurrir en las áreas de mayor temperatura, y el diseño del molde debe ser modificado, así como cambiar esta tendencia si dicho hueco es perjudicial para la pieza fundida. Los insertos metálicos llamados enfriadores son algunas veces usados solidificando a una rapidez mayor. Los compuestos químicos exotérmicos pueden acumularse en la parte más próxima a la pieza fundida de tal manera que el calor es retenido en esa área. MODELOS En la figura siguiente (recordar presentación) se muestran siete tipos de construcción de modelos. La forma más simple es el modelo sólido o de una sola pieza, mostrada en A. Muchos modelos no pueden hacerse de una sola pieza, por la dificultad que se encuentra en el moldeo. Para eliminar esto, algunos se hacen en dos partes, como se muestra en la Fig. anterior, así una mitad del modelo descansa en la parte inferior del molde y la otra mitad en la parte superior. La división en el modelo ocurre en la línea de partición del molde. En C se muestra un modelo con dos piezas sueltas, que son necesarias para extraer el molde.

Tolerancias en los modelos En el trabajo de modelos la pregunta es el porqué, un engrane terminado o cualquier otro objeto no puede ser usado para fabricar el molde y eliminar los problemas y el costo de hacer un modelo. En algunos casos esto se puede hacer pero en general, el proceso no es práctico, por que ciertas tolerancias van consideradas en el modelo. Estas tolerancias son: la contracción, extracción, acabado, la distorsión y el golpeteo. Contracción. Cuando un metal puro, así como la mayoría de las aleaciones metálicas se enfría, ellas se contraen, y para compensar la contracción, existe una regla de contracción que puede ser usada en el trazo de las dimensiones del modelo. Una regla de contracción para hierro fundido es de 1.04% en promedio de longitud, mayor que una regla estándar. Si un engrane de hierro blanco está planeado que tenga un diámetro exterior de 150 mm ya terminado, la regla de contracción en realidad debe medir 156 mm en diámetro, por compensación de la contracción. La contracción para latón varía con su composición pero usualmente anda de 1.56 a 2.08 %, y el aluminio y magnesio 1.30 %. Estas tolerancias de contracción son sólo aproximadas y varían ligeramente, dependiendo del diseño de la pieza fundida, el espesor de la sección y del análisis del metal. Cuando deben obtenerse modelos de metal, a partir de los modelos originales, se deberá proveer de doble contracción. Extracción. Al extraer un modelo, se debe disminuir grandemente la tendencia al desmoronamiento de las aristas del molde en contacto con el modelo, si se les da ahusamiento a las superficies de éste paralelamente a la dirección en que se deba extraer. Esta inclinación de los lados del modelo se conoce como salida, y se proporciona para darle al modelo un pequeño huelgo a medida que es extraído. El ahusamiento se suma a las dimensiones exteriores del modelo y es generalmente 1.04 a 2.08 %. Los agujeros interiores requieren salidas tan largas como 6.25 %. Acabado. Cuando un dibujante traza los detalles de una parte que va a ser fundida, cada superficie que va a hacer acabada a maquina está indicada una marca de acabado. Esta marca le indica al modelista donde deberá proveerse material adicional para efectuarse el maquilado, es decir habrá una tolerancia de acabado. La cantidad que deba añadirse al modelo depende de las dimensiones y formas de la pieza fundida pero en general para piezas pequeñas y medianas es de 3.0 mm cuando las piezas son mas grandes, esta tolerancia se debe aumentar, porque las piezas tienden a torcerse en el enfriamiento. Distorsión. La tolerancia para la distorsión se aplica solamente a aquellas piezas fundidas de forma irregular que se distorsionan en el proceso de enfriamiento, debido a la contracción del metal. Golpeteo. Cuando un modelo es golpeado ligeramente estando en el molde antes de extraerlo la cavidad del molde aumenta ligeramente. En una pieza de tamaño medio este aumento puede ignorarse ligeramente. En piezas de gran tamaño o en aquellos que deben coincidir sin ser mecanizados deberá

considerarse una tolerancia por sacudidas, haciendo el modelo ligeramente menor para compensar el golpeteo. Materiales Para Modelos Removibles. El primer paso en la fabricación de una pieza fundida es preparar un modelo, conocido como modelo de fundición, el cual difiere en numerosos aspectos de la pieza resultante. Estas diferencias, conocidas como tolerancias en el modelo, compensan la contracción del metal, proporcionan suficiente metal para el maquinado de superficies, y facilitan el moldeo. La mayoría de los modelos son hechos de madera, la cual es barata y puede trabajarse fácilmente. Por lo cual sólo un pequeño porcentaje de modelos se hacen en cantidad para trabajos de producción, la mayoría no necesita estar hecha de un material que pueda tener un uso duro en la fundición. Muchos de los modelos usados en trabajo de gran producción se hacen de metal porque soportan el uso intenso. Los modelos de metal no cambian su forma cuando se les somete a condiciones húmedas, además, requieren un mínimo de atención para mantenerlos en condiciones de trabajo. Los metales utilizados para hacer modelos incluyen latón, metal blanco, hierro fundido y aluminio. Probablemente el aluminio sea el mejor de todos por que es más fácil de trabajar, es de peso ligero y resistente a la corrosión. Los modelos de madera son obtenidos de fundición de un modelo maestro construido de madera. Los plásticos se adaptan especialmente bien como materiales para modelos porque no absorben humedad, son fuertes y dimensionalmente estables y tienen superficies perfectamente tersas. Se pueden producir económicamente por vaciado en forma similar al metal vaciado. CONSTRUCCION DE UN MODELO REMOVIBLE Los detalles para obtener un bloque en V de Hierro fundido, se muestran en la Fig. 5.7 donde se ha trazado primero una vista del extremo usando una regla de contracción. Como el detalle pide " acabado" en toda la pieza, se debe prever metal adicional, lo cual queda indicado por la segunda línea exterior de la V del block en el plano. En previsión para la salida, el método del moldeo debe ser considerado. La línea final exterior sobre la posición del tablero representa el tamaño actual y la forma, la cual es usada para construir el modelo. Las esquinas interiores agudos se rellenan para eliminar las grietas en el metal por contracción. Un filete es una superficie cóncava de unión o bien el redondeo de la esquina de dos planos de intersección. Las esquinas redondeadas y filetes facilitan materialmente el moldeo, ya que la arena no tiende a desmoronarse al extraer el modelo. A los modelos de madera se les da generalmente tres capas de sellador o barniz sintético el cual no se disuelve en contacto con la humedad, y da al modelo una superficie tersa. Los modelos con piezas sueltas se hacen en los casos en que se tienen proyecciones o partes colgantes y es imposible sacarlas de la arena aun cuando estén partidas. En tales modelos las proyecciones deben sujetarse flojas al modelo principal por medio de clavijas de madera o alambre. Una vez hecho el molde, dichas piezas sueltas permanecen allí hasta después que el

modelo es extraído. A continuación se sacan separadamente a través de la cavidad formada por el modelo principal. El empleo de piezas sueltas, se ilustra en el colado de una guía que ajusta en una corredera con forma cola de milano, según un detalle que se muestra en la Fig. 5.8. Para comenzar el modelo, es necesario hacer un diagrama con todas las tolerancias para la extracción, acabado y contracción. A continuación se decide en que forma se hará el moldeo. Dos métodos son posibles como se ilustra en D y E de la figura. En el primer método dos piezas sueltas facilitan la extracción del modelo de la arena. Estas piezas pueden tener salida desde la arena, debido al espacio adicional ocupado en primer lugar por la parte principal del modelo. El modelo construido de esta manera es hecho de 5 partes, como se muestra en la figura B. Las piezas sueltas pueden ser eliminadas por un corazón de arena seca. Si se emplea esta construcción el modelo deberá hacerse como se ve en C. Además. Se hará necesaria una caja de corazón. Este método tardado es menos económico, debido a lo costoso de hacer la caja de corazón y el corazón mismo. CONSTRUCCION DE MODELOS DESECHABLES. Los modelos desechables, son hechos para estar en el molde, y vaporizan después de que es vaciado el metal. A causa de esto, están hechos de una sola pieza con canales, alimentadores y rebosaderos fijos al modelo ( Fig. 5.9). usualmente el bebedero es sólo pegado o unido por alambres, clavos o pernos al modelo. El método más convencional de moldeo por este método consiste en que el modelo, canales, alimentadores y rebosaderos empiezan a moldearse en la base de la caja y el bebedero es moldeado aparte en la tapa de la caja. Material Usado Todos los modelos desechables están hechos de hule espuma o poliestireno. El material recomendado de poliestireno es extendido en camas sobre un tablero. Las camas deben de tener una buena adhesión una a la otra y una densidad entre 16 a 19 kg/m3. La resistencia a la compresión es 89 a 124 MPa, el poliestireno extendido puede estar en ramas en la tabla de 1.2 X 3.7 m arriba aproximadamente a 450 mm en espesor. El material que mejor se trabaja es el que ha tenido como mínimo 45 días de tiempo después de manufacturado. Las camas de poliestireno son usadas en la manufactura de modelos pequeños en cantidades de producción. Estas camas son extendidas en los moldes metálicos por aplicación de vapor o con calor eléctrico. Con objeto de mejorar el acabado superficial de la pieza de fundición completa, el molde obtenido se escobetea o se rocía con agua de zircón. La cara de la arena donde se coloca el modelo puede ser de arena en verde, arena con depósitos de silicato de sodio, arena aglutinada y en algunos casos arena sin depósitos o simplemente seca. Tolerancias en los Modelos. Debido a que no es extraído el modelo del molde, no necesita tolerancias para la salida, las únicas tolerancias que necesitan hacerse son para la contracción, acabado y distorsión.

ARENA Tipos de Arena La arena sílica (Si02) se encuentra en muchos depósitos naturales, y es adecuada para propósitos de moldeo porque puede resistir altas temperaturas sin descomponerse. Esta arena es de bajo costo, tiene gran duración y se consigue en una amplia variedad de tamaños y formas de granos. Por otra parte, tiene una alta relación de expansión cuando está sometida al calor y tiene cierta tendencia a fusionarse con el metal. Si contiene un alto porcentaje de polvo fino, puede ser un peligro para la salud. La arena sílico pura no es conveniente por si misma para el trabajo de moldeo, puesto que adolece de propiedades aglomerantes. Las propiedades aglomerantes se pueden obtener por adición de 8 a 15% de arcilla. Los tres. PROCESOS DE FUNDICION. Tipos de arcilla comúnmente usados son la caolinita, ilita y bentonita. Esta última, usada con más frecuencia, proviene de cenizas volcánicas. Algunas arenas de moldeo naturales, se mezclan adecuadamente con arcilla al extraerlos en las canteras y sólo se requiere agregarles agua para obtener una arena conveniente para moldeo de piezas fundidas de hierro y metales no ferrosos. La gran cantidad de materia orgánica encontrada en las arenas naturales impide que sean lo suficientemente refractarias para usos en temperaturas elevadas, tal y como en el moldeo de metales y aleaciones con alto punto de fusión. Las arenas de moldeo sintéticas se componen de sílice lavada de granos agudos, a los que se añade 3 a 5% de arcilla. Con las arenas sintéticas se genera menos gas, ya que se requiere menos del 5% de humedad para que desarrolle su resistencia adecuada. El tamaño de los granos de arena depende del tipo de la pieza que se ha de moldear. Para piezas de tamaño pequeño y complicadas es más conveniente una arena fina con objeto de que los detalles del molde aparezcan precisos. A medida que aumenta el tamaño de la pieza, las partículas de arena deberán de ser más grandes para permitir que los gases generados en el molde se escapen. Los granos agudos, de forma irregular, por lo general se les prefiere porque se entrelazan y le dan mayor resistencia al molde. PRUEBAS DE LA ARENA. Para determinar la calidad esencial de la arena de fundición se hacen necesarias algunas pruebas periódicas. Las propiedades cambian por contaminación con materiales extraños, por la acción de lavado en el recocido Por el cambio gradual y la distribución de los tamaños de grano, y por la continua exposición a altas temperaturas. Las pruebas pueden ser tanto químicas como mecánicas, pero aparte de la determinación de los elementos indeseables en la arena, las pruebas químicas son de poco uso. La mayoría de las prueban mecánicas son simples y no requieren equipo elaborado. Varias de las pruebas están diseñadas para determinar las siguientes propiedades de la arena de moldeo.

1. Permeabilidad. La porosidad de la arena que permite el escape de os gases

y vapores formados en el molde. 2. Resistencia. La arena debe ser cohesiva hasta el grado de que tenga

suficiente ligazón, tanto el contenido de agua como el de arcilla afectan la propiedad de la cohesión.

3. Refractariedad. La arena debe resistir las altas temperaturas, sin fundirse. 4. Tamaño y forma de grano. La arena debe tener un tamaño de grano

dependiente de la superficie que se trate de producción, y los granos deben de ser irregulares hasta tal grado que mantengan suficiente resistencia a la cohesión.

Pruebas de Dureza de Moldes y Corazones. El probador de la dureza de los corazones mostrado en la Fig. 5.10, opera bajo el principio de que la profundidad de la bola de acero en la arena, es su medida de la dureza o estabilidad. Una bola de acero de 5.08 mm en diámetro bajo la presión de un resorte (2.3 N) se oprime contra la superficie del molde y la profundidad de penetración se indica en la carátula en milímetros. Los moldes con un apisonado medio den un valor alrededor de 75. Pruebas de Finura. Esta prueba, para determinar el porcentaje de distribución del tamaño de grano en la arena, se realiza en una muestra de arena seca de la cual se extrae toda la sustancia de arcilla. Una serie de tamices normales para pruebas son usados, con mallas, 6,12,20,30,40,50,70,100,140,200,y 270 correspondientes a la especificación de la U.S. National Bureau of Standard. Estos tamices se apilan y colocan en uno de los muchos tipos de agitadores movidos a motor. La arena se coloca en el tamiz más ralo de la parte superior y después de 15 min. De vibración el peso de la arena retenido en cada malla se convierte a un porcentaje base. Fundición en Matrices. La fundición en matrices es un proceso en el cual el metal líquido es forzado a entrar a presión en el molde metálico conocido como matríz. Por razón de que el metal solidifica bajo una presión desde 0.6 a 275 MPa, la pieza de fundición se configura a la cavidad de la matriz en igual forma y acabado superficial que ésta. La presión usual es de 10.3 a 14 MPa. La fundición en matriz es el proceso de molde permanente más ampliamente usado. Y hay dos métodos que se utilizan: 1. Cámara caliente 2. Cámara fría

La principal distinción entre las dos está determinada por la localización de la olla de fusión. En el método de cámara caliente, la olla de fusión está incluida con la máquina, y el cilindro de inyección queda sumergido en el metal líquido todo el tiempo. El cilindro de inyección es movido ya sea por presión de aire o por presión hidráulica, la que fuerza al metal al interior de las matrices

para completar la pieza fundida. Las máquinas que se usan en el proceso de cámara fría, tienen un horno separado, y el metal se introduce al cilindro inyector, ya sea a mano o por medios mecánicos. Después, la presión hidráulica fuerza al metal al interior de la matriz.

El proceso es rápido, por razón de que la matriz y el corazón son permanentes. La superficie suave no sólo le proporciona buena apariencia sino que también disminuye el trabajo requerido de preparación para un acabado de plateado u otro trabajo de acabado. Los espesores de pared pueden ser más uniformes que la fundición a la arena y consecuentemente se requiere menos metal. Los promedios de producción de cantidades óptimas son de 1000 a 200 000 piezas. El peso mecánico de piezas en latón en fundición en matriz es de 2.3 kg, pero en aluminio son arriba de 50 kg son comunes. Las fundiciones pequeñas o medianas pueden fabricarse en ciclos promedio de 100 a 800 alimentaciones por hora. El tamaño puede ser controlado en forma precisa y sólo puede ser necesario un pequeño maquinado y a veces no. Las partes perdidas son bajas, entonces el bebedero, canal y entradas pueden ser fundidos nuevamente. El proceso elimina operaciones de maquinado tales como el barrenado y ciertos tipos de cuerdas.

Las tolerancias varían de acuerdo al tamaño de la pieza de fundición y de la calidad del metal usado. Para fundiciones pequeñas, los promedios de tolerancias son de 03.0 las tolerancias más cerradas se obtienen cuando se

emplean las aleaciones de zinc en fundición en matriz.

Una de las limitaciones de la fundición en matriz es el alto costo de los equipos y matrices. Este no es un factor importante en producciones masivas, pero sí es una limitante en trabajos pequeños. Por otra parte la matriz disminuye conforme aumenta la temperatura del metal. Pero también en algunos casos de enfriado existe un efecto indeseable sobre el metal a menos que las temperaturas altas se mantengan. Los metales que tienen un alto coeficiente de contracción deben ser eliminados del molde lo más rápido posible a causa de la incapacidad del molde de contraerse con la pieza fundida. Aunque existen ciertas limitaciones en forma, el proceso puede producir piezas de fundición muy grandes.

Las piezas de fundición en matriz se han limitado a aleaciones de bajo punto de fusión, pero con un aprovechamiento gradual de metales de alta resistencia al calor para matrices, este proceso se puede utilizar ahora para numerosas aleaciones. Fundiciones de hierro gris y aleaciones de bajo contenido de carbono y aleaciones de acero se han producido en matrices de una aleación de molibdeno sinterizado, pero el proceso es comercialmente limitado a aleaciones no ferrosas. Matrices

Las matrices para las máquinas tanto de cámara fría como de cámara caliente, son similares en construcción porque hay poca diferencia en el método de sujetarlas y operarlas. Se les hace de dos secciones para proveer un medio de retirar las piezas fundidas, y usualmente van equipadas con

gruesas clavijas para mantener las mitades correctamente alineadas. El metal entra por el lado estacionario cuando la matriz está fija en la posición cerrada. A medida que se abre la placa de expulsión, colocada en la mitad móvil de la matriz, avanza de tal forma que las clavijas se proyecten a través de la mitad de la matriz y expulsan a la pieza de la cavidad y de los corazones fijos. Las matrices van provistas con un mecanismo por separado, para mover la placa expulsaron de los corazones movibles. La vida de estos moldes, depende del metal vaciado y puede alcanzar promedios hasta de 10 000 inyecciones, si se trabaja con latón, hasta varios millones de piezas se pueden hacer en zinc.

Fundición en Matriz en Cámara Caliente.

Las aleaciones de bajo punto de fusión de zinc, estaño y plomo son los materiales de fundición más ampliamente usados en máquinas de cámara caliente. En el Cap. 3 se puede encontrar un estudio de estas aleaciones. La mayoría de los demás materiales que tienen demasiado alto punto de fusión, y afinidad por el hierro, y aquellos que crean otros problemas y que pueden reducir la vida de la máquina. Las piezas de fundición en cámara caliente varían en tamaño de 20 g a 40 Kg. aunque en el caso de piezas de fundición muy chicas ellas son comúnmente vaciadas en moldes de matriz múltiple.

En este método, el metal es forzado a entrar dentro del molde y se mantiene la presión durante la solidificación, ya sea por un pistón o por aire a comprensión. La máquina tipo émbolo que se ilustra en la Fig. 6.4, es operada

hidráulicamente por las dos formas, por el pistón de metal y por el mecanismo de abertura y cierre de la matriz. En esta máquina el émbolo opera en un extremo de una pieza fundida en forma de cuello de ganso la cual está sumergida en el metal líquido. Con el émbolo en la parte superior, el metal fluye por gravedad en la pieza de fundición en forma de cuello de ganso, a través de varios agujeros justo abajo del pistón. Con un golpe en el centro, estos agujeros son cerrados por el émbolo, y la presión se aplica sobre el metal atrapado, originando que éste sea forzado a entrar a la cavidad de la matriz. Fundición en Matriz en Cámara Fría Las piezas de fundición en matrices, de latón, aluminio y magnesio requieren presiones más altas, así como las temperaturas de fusión y necesitan un cambio en el proceso de fusión previamente descrito. En el Cap. 4 se discutió acerca de las aleaciones usadas en piezas de fundición por cámara fría. estos metales no se funden en un crisol autocontenido, porque la vida de éste sería muy corta. El procedimiento usual es el de calentar el metal en un horno auxiliar y llenarlo con cucharas hasta la cavidad del émbolo próximo a las matrices. Las máquinas que trabajan con este método se fabrican muy consistentes y rígidas para soportar las altas presiones ejercidas por el metal al ser forzado al interior de las matrices. De las dos máquinas de uso generalizado, una tiene el émbolo en posición vertical y la otra en posición horizontal.

En la Fig. anterior muestra un dibujo esquemático del funcionamiento de la máquina de cámara fría, con émbolo horizontal. En la primera figura se muestran cerradas las matrices con los corazones en su posición y el metal líquido listo para ser vertido. Tan pronto como se vacía la cuchara, el émbolo se mueve hacia la izquierda y fuerza al metal al interior del molde. Después de que el metal solidifica, se extraen los corazones, y luego se abren las matrices. En la tercer figura las matrices están abiertas, y la pieza de fundición está siendo expulsada de la mitad estacionaria. Para completar el proceso de apertura, entra en funcionamiento una barra botadora y expulsa a la pieza de fundición de la parte móvil de la mitad de la matriz. Este ciclo de operación se usa en una variedad de máquinas que trabajan a presiones que van desde 40 a 150 MPa. Estas máquinas son completamente hidráulicas y semiautomáticas. Después que el metal ha sido vertido, el resto de las operaciones son automáticas.

Fundición por Moldes Permanentes de Baja Presión. En el proceso de moldes permanentes de baja presión, el molde metálico está montado sobre un horno de inducción como se ilustra en la Fig. 6.8. El horno está sellado y se le inyecta gas, bajo presión, que se utiliza para forzar el metal líquido en el horno a través del refractario calentado en el "tallo" en la cavidad. Algunas veces se usan bombas de vacío para remover el aire atrapado en el molde y para asegurar una estructura más densa y un llenado rápido. Piezas pequeñas pueden permanecer en el molde hasta enfriarse por un minuto o menos, pero en piezas de fundición con peso arriba de 30 kg, se tiene conocimiento que pueden permanecer por un periodo de solo 3 min. El proceso es más económico si el promedio de producción, es en cantidades de 5000 a 50 000 piezas por año. Las piezas producidas por este método de buena densidad, están libres de inclusiones, tienen buena precisión dimensional, y las pérdidas por sobras son comúnmente menores del 10% y pueden ser tan bajas como el 2%.

Piezas de Fundición en Molde Permanente por Gravedad Este método utiliza un molde permanente hecho de metal o grafito. Los moldes se recubren usualmente con una sustancia refractaria y luego con negro de humo, la cual reduce los efectos del enfriamiento en el metal y facilita la remoción de la pieza de fundición. No se utiliza presión excepto la obtenida por

la altura del metal en el molde. El proceso se usa satisfactoriamente para piezas de fundición ferrosas y no ferrosas, aunque este último tipo, no presenta muchos problemas como las piezas de fundición ferrosas debido a las bajas temperaturas de vaciado. El tipo , más simple del molde permanente está embisagrado de un lado del molde, teniendo en el otro lado del molde dispositivos para mantener juntas las dos mitades. Algunas máquinas de alta producción, como la que se ilustra en la Fig. 6.9, están dispuestas en forma circular y tienen moldes colocados en varias estaciones. El ciclo de trabajo consiste en verter el metal, enfriamiento y expulsión de la pieza, soplado de los moldes, recubrimiento de ellos, y en algunos casos colocación de los corazones. En este tipo de moldes se pueden utilizar corazones tanto de metal, como de arena seca. Si se emplean corazones tan pronto como el metal empieza a solidificar. Fundición Hueca La fundición hueca es un método de producir piezas huecas en moldes metálicos sin la utilización de moldes metálicos. El metal líquido se vierte en el molde, el cual se voltea inmediatamente, de modo que el metal líquido salga. El resultado son partes de paredes delgadas, cuyo espesor depende del efecto de enfriamiento producido por el molde y el tiempo que dure su operación. El fundido se remueve por la abertura a la mitad del molde. Este método se usa solamente para objetos ornamentales, estatuillas, juguetes y otras novedades. Los metales utilizados para estos objetos son: plomo, zinc y varias aleaciones de bajo punto de fusión. A las partes fundidas en esta forma, se les puede pintar o darles un acabado para que simulen bronce, plata u otros metales más caros. Fundición Prensada o Corthias Este método de fundición se asemeja a los procesos tanto de gravedad como el hueco, pero difiere algo en la forma en que se efectúa la operación. Se vacía una cantidad definida de metal en el interior de un molde con un extremo abierto y un corazón se alimenta de una manera muy ajustada con algo de presión, ocasionando que el metal sea forzado con cierta presión hacia el interior de los huecos del molde. Tan pronto como el metal rellena las cavidades. Se retira el corazón dejando una pieza hueca de paredes delgadas. Este proceso, desarrollado en Francia por Corthias, tiene aplicación limitada, principalmente a piezas ornamentales de diseño abierto. FUNDICIÓN POR ELECTRO ESCORIA El proceso de fundición por electroescoria es poco usual y no emplea horno. En cambio, para la fusión se consumen electrodos formando en forma sorpresiva una cubierta de escoria debajo del metal líquido que va a alimentar un molde

permanente enfriado por agua. Luego, el metal líquido continuamente gotea o corre en el molde, y además no se mantiene en contacto con la atmósfera por la capa de escoria. No son necesarias las entradas ni los bebederos y usualmente los electrodos son retirados del molde y en consecuencia el llenado se realiza del fondo hacia la parte superior. Los estudios realizados de los metales fundidos por esta forma pueden ser superiores a los forjados., una aplicación interesante sucede cuando el material del electrodo es cambiado en contenido de carbono y afecta variando las propiedades en la pieza fundida. FUNDICIÓN CENTRÍFUGA La fundición centrífuga es el proceso de hacer girar el molde mientras solidifica el metal, utilizando así la fuerza centrífuga para acomodar el metal en el molde. Se obtienen mayores detalles sobre la superficie de la pieza y la estructura densa del metal adquiere propiedades físicas superiores. Las piezas de formas simétricas se prestan particularmente para este método, aun cuando se pueden producir otros muchos tipos de piezas fundidas. Por fundición centrífuga se obtienen piezas más económicas que por otros métodos. Los corazones en forma cilíndrica y rebosaderos o mazarolas impurezas que van de la parte posterior al centro de la pieza pero que las impurezas que van de la parte posterior al centro de la pieza pero que frecuentemente se maquinan. Por razón de la presión extrema del metal sobre el metal, se pueden lograr piezas de secciones delgadas tan bien como en la fundición estática.

Fundición Centrífuga Real. La fundición centrífuga real se utiliza para fabricar tubos, camisas y objetos simétricos que se vacíen haciendo girar el molde alrededor de sus ejes, ya sea el horizontal y el vertical. El metal se mantiene contra las paredes del molde mediante la fuerza centrífuga, y no se hace necesario un corazón para formar zontales usados para la producción de tubos de hierro fundido. Los moldes metálicos de gran espesor tienen una capa de refractario que permite que el metal líquido empieza a solidificar rápidamente y para que la solidificación del molde proceda de las paredes del molde hacia el interior del tubo fundido. De esta manera la solidificación sucede de una forma adecuada que asegura solidez de la pieza con impurezas en la pared interna. Por consiguiente se ilustra en la Fig. 6.10 una máquina para fundición centrífuga. El molde se

enrolla rápidamente al mismo tiempo que el metal líquido se introduce y la acción de enrollado no se para hasta que la solidificación se acompleta. El espesor de la pared producida para el tubo está controlada por la cantidad de metal vaciado en el molde.

Fundición Semicentrífuga En fundición Semicentrífuga, el molde se llena completamente y se enrolla alrededor del eje vertical y se emplean rebosaderos y corazones. El centro de la p9ieza fundida generalmente es sólido, siendo menor la presión allí, la estructura formada no es muy densa y las inclusiones y aire atrapado que se obtienen están presentes. Este método es normalmente usado para partes en las cuales el centro de la pieza puede ser maquinado. El montón de moldes que se muestran en la Fig. 6.12, puede producir cinco ruedas de ferrocarril fundidas semicentrifugante. El número de piezas hechas en un molde, depende del tamaño de la pieza fundida y de lo conveniente de su manejo, así como del acomodo de los moldes. La velocidad de rotación para esta forma de colados no es tan grande como para el proceso de centrifugado real. El proceso produce una estructura densa en la circunferencia exterior, en tanto que el metal del centro se elimina por maquinado.

Centrifugado En el método centrifugado, se colocan varias cavidades de colados en torno a la porción exterior de un molde y el metal se suministra a las cavidades por medio de alimentadores radiales desde el centro. Se pueden utilizar moldes simples o arreglados en montón. Las cavidades de los moldes se llenan a presión ocasionada por la fuerza centrífuga del metal a medida que el molde gira. En la Fig. 6.13 se muestran cinco piezas fundidas por este proceso. Las cavidades internas de estas piezas son de contorno irregular y se forman mediante corazones de arena saca. El método centrífugo no está limitado para objetos simétricos,

se pueden producir piezas de forma irregular, tales como tapas de cojinetes o pequeñas abrazaderas. La profesión dental usa este proceso para incrustaciones de piezas de oro. FUNDICIÓN DE REVESTIMIENTO O DE PRECISIÓN. La fundición por revestimiento o de precisión emplea técnicas que permiten superficies lisas, mucha exactitud en fundiciones que están hechas para aleaciones ferrosas y no ferrosas. La Fig. 6.14 muestra una pieza pequeña de fundición por revestimiento hecha de una aleación de acero al cromo molibdeno. No existe otro método, que pueda asegurar la producción de piezas de partes difíciles. Este proceso se utiliza en piezas de fundición para aleaciones no maquinables y metales radiactivos. Existe un número de procesos empleados, pero todos se incorporan a la arena, cerámica, yeso o de cáscara de plástico hechos a partir de un modelo exacto en el cual el metal es vaciado. Aunque la mayoría de las piezas fundidas son chicas, el proceso por revestimiento se ha usado para producir piezas con pesos sobre 45 kg. las ventajas de las técnicas por revestimiento o precisión son: (1) se pueden fundir piezas de formas intrincadas con relieves, (2) se obtienen piezas con superficies lisas y sin líneas de partición, (3) la exactitud dimensional es buena, (4) ciertas partes no maquinables se pueden fundir en forma preplaneada, y (5) puede ser usada para sustituir fundiciones en matríz donde existen canales muy cortos. Por otro lado, el proceso es caro, está limitado para piezas chicas y presente algunas dificultades cuando tiene corazones. No se pueden hacer agujeros menores de 1.6 mm y no pueden ser más profundos que 1 1/2 veces el diámetro.

Proceso de Fundición de Precisión a la " Cera Perdida ". Este proceso deriva su nombre del hecho de que el modelo de cera utilizado en el proceso, es seguidamente fundido en el molde, dejando una cavidad que tiene todos los detalles del modelo original. El proceso, como se practicaba originalmente por los artesanos en el siglo XVI, consistía en formar el objeto en cera, a mano. El objeto de acera o modelo era luego cubierto con una envoltura de yeso. Cuando el yeso endurecía, se calentaba el molde en un horno, fundiendo la cera, y al mismo tiempo, se obtenía mayor secado y endurecimiento del molde. La cavidad resultante, conteniendo todos los detalles complicados de la forma original de la cera, era luego llenada con metal. Al enfriar se rompía la cubierta de yeso dejando la pieza. En piezas grandes tales como las estatuas, se utilizaban corazones de yeso para obtener paredes relativamente delgadas en ellos.

Proceso de Cáscara en Cerámica Este proceso, semejante al de la " cera pérdida", también implica retirar de una cubierta refractaria, el modelo caliente disponible. El modelo se hace con cera o con un plástico de bajo punto de fusión, y con frecuencia se juntan algunos de ellos mediante "soldadura de cera" en un racimo, como se ve en la Fig. 6.15. el costo de la producción de los modelos de plástico es menor que los modelos de cera el cual forma la vasija de vaciado. el racimo de modelos se sumerge rápidamente en una lechada de cerámica y se espolvorea con material refractario. Este proceso llamado estucado, se repite hasta que la cáscara es de 4.8 a 12.7 mm de espesor. Luego se funde el modelo extrayéndolo del molde, el cual es primero secado y luego se somete al fuego de 980 a 1095ºC con objeto de quitarle toda la humedad y material orgánico. El molde libre de cualquier línea de partición, es generalmente vaciado en forma inmediata y después se elimina de el horno. La cáscara se rompe de la pieza fundida a medida que tiene lugar el enfriamiento. Se tiene buena exactitud y buen acabado en las superficies con metales tanto ferrosos como no ferrosos. las tolerancias de 0.13 mm no son poco comunes, y como tolerancias de fundición pueden proporcionarse por acuñado o por apresto, pero el costo se incrementa. Fundición en Molde de Yeso. La mezcla a base de yeso usada en fundiciones por revestimiento seca rápidamente con buena porosidad, pero no es permanente, es destruido en el momento en que la pieza fundida se retira del molde. Los modelos se hacen de un bronce fácil de maquinar y se llevan tolerancias precisas. Se les coloca en tableros inferiores de cajas normales de moldeo, como se muestra en la Fig. 6.16ª. antes de recibir el yeso, se les atomiza con un compuesto separador. El yeso, que es una amalgama con agentes reforzadores y fraguantes, se mezcla en seco y se le añade agua. Luego se vacía sobre los modelos y el molde se vibra ligeramente para asegurar que la amalgama llenó todas las pequeñas cavidades. El yeso fragua en unos cuantos minutos, retirándose de la caja por medio de un cabezal de vacío. Toda la humedad se extrae de los moldes horneándolos en un horno con transportador, a temperaturas alrededor de 815ºC. Después del vaciado, las piezas se retiran rompiendo el molde. Cualquier excedente de yeso se elimina en una operación de lavado.

Proceso de Moldeo en Cáscara El moldeo en este proceso, se hace de una mezcla de arena de sílice seca y resina fenolica, formándolo en metales de cascarones delgados, los cuales se sujetan juntos para el vaciado, como se ilustra en la serie de diagramas de la Fig. 6.18. la arena libre de arcilla se mezcla primero, ya sea con urea o con resina de fenol formaldehído, y en seguida la mezcla se coloca en el interior de una caja basculante o en una máquina sopladora. Deberá usarse un modelo de metal, el cual se calienta a una temperatura alrededor de 230ºC. Y se rocía con un agente separador a base de silicio antes de colocarlo en la parte superior de la caja basculante. Luego se invierte ésta, ocasionando que la mezcla de arena caiga sobre el modelo, y es mantenida por 15 a 30 s antes de regresarla a su posición original. El modelo con una pequeña cáscara de 3.1 a 4.7 mm de espesor adherida y luego se coloca en un horno y se cura el cascarón de 1/2 a 1 min hasta que queda rígido. La cáscara es finamente retirada del modelo por pernos empujadores y las mitades del molde se unen con grapas, resinas adhesivas u otros dispositivos. Luego son colocados en una caja, sosteniéndose la una contra la otra, o por un material de soporte, como perdigones o grava. Algunos se vacían mientras se mantienen apoyados en el piso, con un contrapeso en la parte superior.

Proceso de Endurecimiento de Moldes de CO2. El proceso de endurecimiento de los moldes y los corazones utilizando y el empleo de un algomerante de base líquida de silicato de sodio es ampliamente usado. Debido a sus ventajas inherentes y a la rapidez en la cual endurece el molde, actualmente es usada en muchas fundiciones. En forma breve, el procedimiento consiste en el mezclado de arena seca de sílice o de otra convencional (número de finura AFS alrededor de 75 ) con 31/2 a 5% de silicato de sodio como aglomerante líquido. Luego queda lista para su uso, y puede ser colocada en cajas de moldeo y de corazones por máquinas de moldeo normales, sopladoras de corazones o a mano.

Moldes de Otros Materiales. Diversos materiales, tales como el hule, el papel y la madera se pueden utilizar para moldes de metales con bajas temperaturas de fusión. Las joyas y artículos pequeños se vacían con éxito en moldes de hule. En este trabajo se utiliza frecuentemente una aleación de 98% de estaño, 1% de cobre y 1% de antimonio. En la Fig. lateral se ilustra un molde hecho de hule con silicones Dow Corning, producto conocido como Silastic. Este material puede ser usado para modelos de fundición de cera, plástico o en aleaciones de bajo punto de fusión. Los moldes estando a 260ºC se pueden reproducir con fino detalle, como se quiera, con un promedio de alta fidelidad. El material es tan flexible que puede ser extraído de formas difíciles sin dificultad. El proceso Shaw es una mezcla de arena, con silicato de etilo hidrolizado, y otros ingredientes que permiten el recubrimiento del molde que va a ser

"pelado" del modelo. El modelo necesita no ser de cera o mercurio, así como en el estado " como vaciado", el material viene a ser como hule, entonces se elimina el modelo, el molde se enciende y luego se cuece para proporcionarle rigidez, permeabilidad, y alta calidad de acabado en la superficie del molde. El proceso Shaw se adapta para formas complejas y el modelo es útil nuevamente, pudiéndose adaptar para operaciones automáticas, pero relativamente se emplean tiempo y costo, excepto para ciertas fundiciones.

FUNDICIÓN CONTINUA La investigación y los trabajos experimentales han probado que hay muchas oportunidades para lograr costos económicos en la fundición continua de metales. En suma, los metales como punto de partida para la fundición continua tienen un alto grado de solidez y uniformidad no poseída por otros métodos de producción de barras y tochos. En forma breve, el proceso consiste en vaciar continuamente el metal fundido en el interior de un molde, al cual tiene las facilidades para enfriar rápidamente el metal hasta el punto de solidificación, y enseguida extraerlo del molde. Los siguientes procesos son típicos. Proceso de Molde Alternativo En el proceso que se ilustra en la Fig. 6.21, se utiliza un molde de cobre alternativo enfriado por agua, la carrera hacia abajo se sincroniza con la velocidad de descarga de la plancha. El metal líquido es vaciado en el horno mantenedor que se muestra, y se descarga en el molde después de haber sido medido a través de un orificio de 22 mm a la válvula de la aguja. El tubo de descarga es de 29 mm de diámetro y libera al metal a un promedio de 3.78 Kg/s. El metal fundido se distribuye transversalmente en el molde por medio de una pieza horizontal atravesada que queda sumergida. El nivel del metal se mantiene todo el tiempo constante. La velocidad de vaciado del metal líquido se controla mediante una válvula de aguja que sale por la parte superior del molde, es descargado a velocidad constante, entrando a los rodillos separadores. Estos van sincronizados con el movimiento hacia abajo del molde y están montados justamente arriba de una sierra circular que corta los planchones a las longitudes requeridas. Los planchones de bronce así producidos, se transforman en láminas y cintas mediante laminado en frío. También se producen en la misma forma, grandes cantidades de piezas redondas de 178 a 254 mm de diámetro, para procesos de extrusión en caliente. Proceso Asarco El proceso, se muestra en la figura siguiente, difiere de otros procesos continuos en que la matriz formadora o molde, queda integrado con el horno, y no hay problema para controlar el flujo de metal. El metal se alimenta por

gravedad al interior del molde desde el horno y se va solidificando continuamente y es extraído por los rodillos inferiores. Una parte importante de este proceso es la matriz de grafito enfriada por agua, que es autolubricada, es resistente a los choques térmicos y no es atacada por las aleaciones a base de cobre. El extremo superior del metal líquido, actúa como un rebosadero y compensa por cualquier contracción que pudiera ocurrir durante la solidificación, en tanto que actúa simultáneamente como una trayectoria para la disipación de los gases desarrollados. Estas matrices se maquinan fácilmente a la forma requerida y se pueden obtener productos que varían de 10 a 230 mm en diámetro. La producción múltiple a partir de una matriz simple permite el vaciado de barras de menor sección recta.

Procesos de Fundición Continua con Moldes de Latón. El proceso de fundición continua para aceros al carbono y aceros aleados usando moldes de latón o cobre de grandes espesores, los cuales permiten una velocidad de flujo de calor que es suficiente para prevenir que el molde no sea dañado por el metal que se empieza a vaciar. Los moldes de latón o cobre tienen una alta conductividad de calor que no son fáciles de ser mojadas por el acero líquido. La sección transversal usada como dato varía alrededor de 7 a 57 mm2. El metal es suministrado al molde por medio de una boquilla colocada en un vertedero o caja de colado. El vertedero es a su vez alimentado desde una olla convencional.

Proceso de Enfriamiento Directo En este proceso se vacían en forma continua lingotes de aluminio y de aleaciones de aluminio, formando una cáscara en un molde vertical estacionario, enfriado por agua. La solidificación se complementa por la aplicación directa de agua abajo del molde. Al comenzar, el molde está tapado por un bloque colocado sobre un elevador o por medio de un falso lingote. El metal líquido es alimentado desde un horno a través de vertederos y conductos, regulando el flujo manual o automáticamente por medio de un flotador controlador, de modo que coincide con la rapidez del colado que se controla mediante el elevador o de rodillos impulsores. El proceso se muestra esquemáticamente en la Fig. 6.23. se producen piezas de secciones arriba de 1 m2. Las longitudes, 2.5 a 3.8 m de largo limitados por la carrera del elevador, o bien cuando se emplean rodillos, los lingotes se cortan a las longitudes finales. La calidad superficial es adecuada tal y como sale del colado para ciertas aleaciones y productos, o puede requerir quitar una delgada capa superficial, para otras aleaciones, o para aplicaciones más críticas.