Una fundición es una fábrica que produce piezas de metal . Los metales se moldean en formas fundiéndolos en un líquido, vertiendo el metal en un molde y retirando el material del molde después de que el metal se haya solidificado a medida que se enfría. Los metales más comunes procesados son el aluminio y el hierro fundido . Sin embargo, otros metales, como el bronce , el latón , el acero , el magnesio y el zinc , también se utilizan para producir piezas fundidas en fundiciones. En este proceso, se pueden formar piezas de las formas y tamaños deseados.
Las fundiciones son uno de los mayores contribuyentes al movimiento de reciclaje de manufacturas, ya que funden y vuelven a fundir millones de toneladas de chatarra cada año para crear nuevos bienes duraderos. Además, muchas fundiciones utilizan arena en su proceso de moldeo. Estas fundiciones a menudo utilizan, reacondicionan y reutilizan arena, que es otra forma de reciclaje. [1]
En el trabajo con metales , la fundición implica verter metal líquido en un molde , que contiene una cavidad hueca de la forma deseada, y luego dejar que se enfríe y solidifique. La pieza solidificada también se conoce como pieza fundida, que se expulsa o se rompe fuera del molde para completar el proceso. La fundición se utiliza con mayor frecuencia para hacer formas complejas que serían difíciles o poco económicas de hacer con otros métodos. [2]
La fusión se realiza en un horno . El material virgen, la chatarra externa, la chatarra interna y los elementos de aleación se utilizan para cargar el horno. El material virgen se refiere a las formas comercialmente puras del metal primario utilizado para formar una aleación particular . Los elementos de aleación son formas puras de un elemento de aleación, como el níquel electrolítico , o aleaciones de composición limitada, como las ferroaleaciones o las aleaciones maestras. La chatarra externa es material de otros procesos de formación, como el punzonado , la forja o el mecanizado . La chatarra interna consiste en compuertas , elevadores , fundiciones defectuosas y otros restos de metal extraños producidos dentro de la instalación.
El proceso incluye la fusión de la carga, el refinado del material fundido, el ajuste de la química del material fundido y la entrada en un recipiente de transporte. El refinado se realiza para eliminar los gases y elementos nocivos del metal fundido para evitar defectos de fundición. Se añade material durante el proceso de fusión para que la química final se encuentre dentro de un rango específico especificado por la industria o por normas internas. Se pueden utilizar determinados fundentes para separar el metal de la escoria o la escoria y se utilizan desgasificadores para eliminar el gas disuelto de los metales que se disuelven fácilmente en gases. Durante la entrada, se realizan los ajustes químicos finales. [3]
Se utilizan varios hornos especializados para calentar el metal. Los hornos son recipientes revestidos de material refractario que contienen el material que se va a fundir y proporcionan la energía para fundirlo. Los tipos de hornos modernos incluyen hornos de arco eléctrico (EAF), hornos de inducción , cubilotes , hornos de reverbero y hornos de crisol. La elección del horno depende de las cantidades de sistema de aleación producidas. Para materiales ferrosos, se utilizan comúnmente hornos de arco eléctrico, cubilotes y hornos de inducción. Los hornos de reverbero y de crisol son comunes para producir fundiciones de aluminio, bronce y latón.
El diseño de hornos es un proceso complejo y se puede optimizar en función de múltiples factores. Los hornos de las fundiciones pueden ser de cualquier tamaño, desde los pequeños que se utilizan para fundir metales preciosos hasta hornos que pesan varias toneladas, diseñados para fundir cientos de libras de chatarra a la vez. Se diseñan según el tipo de metales que se van a fundir. Los hornos también deben diseñarse en función del combustible que se utiliza para producir la temperatura deseada. Para aleaciones con un punto de fusión bajo, como el zinc o el estaño, los hornos de fusión pueden alcanzar alrededor de 500 °C (932 °F). Por lo general, se utiliza electricidad, propano o gas natural para alcanzar estas temperaturas. Para aleaciones con un punto de fusión alto, como el acero o las aleaciones a base de níquel, el horno debe estar diseñado para temperaturas superiores a 1600 °C (2910 °F). El combustible utilizado para alcanzar estas altas temperaturas puede ser electricidad (como la que se emplea en los hornos de arco eléctrico ) o coque . La mayoría de las fundiciones se especializan en un metal en particular y tienen hornos dedicados a estos metales. Por ejemplo, una fundición de hierro (para el hierro fundido) puede utilizar un cubilote , un horno de inducción o un horno de arco eléctrico, mientras que una fundición de acero utilizará un horno de arco eléctrico o un horno de inducción. Las fundiciones de bronce o latón utilizan hornos de crisol o de inducción. La mayoría de las fundiciones de aluminio utilizan hornos de crisol o de reverbero calentados por resistencia eléctrica o por gas . [2]
La desgasificación [4] es un proceso que puede ser necesario para reducir la cantidad de hidrógeno presente en un lote de metal fundido. Los gases se pueden formar en las piezas fundidas de metal de una de dos maneras:
El hidrógeno es un contaminante común en la mayoría de los metales fundidos. Se forma como resultado de reacciones de los materiales o del vapor de agua o de los lubricantes de las máquinas. Si la concentración de hidrógeno en la masa fundida es demasiado alta, la pieza fundida resultante será porosa; el hidrógeno saldrá de la solución fundida, dejando minúsculas bolsas de aire, a medida que el metal se enfría y se solidifica. La porosidad a menudo deteriora gravemente las propiedades mecánicas del metal.
Una forma eficaz de eliminar el hidrógeno de la masa fundida es burbujear un gas seco e insoluble a través de la masa fundida mediante purga o agitación. Cuando las burbujas suben por la masa fundida, atrapan el hidrógeno disuelto y lo llevan a la superficie. El cloro, el nitrógeno, el helio y el argón se utilizan a menudo para desgasificar metales no ferrosos. El monóxido de carbono se utiliza normalmente para el hierro y el acero.
Existen varios tipos de equipos que pueden medir la presencia de hidrógeno. Alternativamente, la presencia de hidrógeno se puede medir determinando la densidad de una muestra de metal.
En los casos en que aún persiste porosidad después del proceso de desgasificación, el sellado de la porosidad se puede lograr mediante un proceso llamado impregnación de metales .
En el proceso de fundición, se crea un patrón con la forma de la pieza deseada. Los diseños simples se pueden hacer en una sola pieza o en un patrón sólido. Los diseños más complejos se hacen en dos partes, llamadas patrones divididos. Un patrón dividido tiene una sección superior, llamada capa, y una sección inferior, llamada capa de separación. Tanto los patrones sólidos como los divididos pueden tener núcleos insertados para completar la forma final de la pieza. Los núcleos se utilizan para crear áreas huecas en el molde que de otro modo serían imposibles de lograr. El lugar donde se separan la capa de separación y la capa de separación se denomina línea de separación .
Al hacer un patrón, es mejor afilar los bordes para que el patrón se pueda quitar sin romper el molde. Esto se llama calado . Lo opuesto al calado es un socavado donde hay una parte del patrón debajo del material del molde, lo que hace imposible quitar el patrón sin dañar el molde.
El modelo se fabrica en cera, madera, plástico o metal. Los moldes se construyen mediante distintos procesos que dependen del tipo de fundición, del metal que se va a verter, de la cantidad de piezas que se van a producir, del tamaño de la pieza y de su complejidad. Estos procesos de fabricación de moldes incluyen:
En una fundición, el metal fundido se vierte en moldes . El vertido se puede realizar por gravedad o con la ayuda de un vacío o un gas presurizado. Muchas fundiciones modernas utilizan robots o máquinas de vertido automáticas para verter el metal fundido. Tradicionalmente, los moldes se vertían a mano utilizando cucharones .
A continuación, el componente de metal solidificado se retira del molde. Si el molde es de arena, esto se puede hacer agitándolo o girándolo. De este modo, se libera la pieza de la arena, que todavía está adherida a los canales y compuertas de metal, que son los canales por los que pasó el metal fundido para llegar al componente.
El desgate es la remoción de las cabezas, canales, compuertas y mazarotas de la fundición. Los canales, compuertas y mazarotas se pueden quitar utilizando sopletes de corte , sierras de cinta o cuchillas de corte de cerámica. Para algunos tipos de metal, y con algunos diseños de sistemas de compuertas, la mazarota, los canales y las compuertas se pueden quitar separándolos de la fundición con un mazo o una maquinaria de extracción especialmente diseñada. Las mazarotas generalmente se deben quitar utilizando un método de corte (ver arriba), pero algunos métodos más nuevos de extracción de mazarotas utilizan maquinaria de extracción con diseños especiales incorporados en la geometría del cuello de la mazarota que permiten que la mazarota se rompa en el lugar correcto.
El sistema de colada necesario para producir piezas fundidas en un molde produce restos de metal (incluidos cabezales, mazarotas y bebederos, a veces denominados colectivamente bebederos) que pueden superar el 50 % del metal necesario para verter un molde completo. Dado que este metal debe volver a fundirse como material de desecho, el rendimiento de una configuración de colada particular se convierte en una consideración económica importante al diseñar varios esquemas de colada, para minimizar el costo del exceso de bebedero y, por lo tanto, los costos generales de fundición.
El tratamiento térmico es un grupo de procesos industriales y de trabajo de metales que se utilizan para alterar las propiedades físicas y, a veces, químicas, de un material. La aplicación más común es la metalúrgica. Los tratamientos térmicos también se utilizan en la fabricación de muchos otros materiales, como el vidrio. El tratamiento térmico implica el uso de calor o enfriamiento, normalmente a temperaturas extremas, para lograr un resultado deseado, como el endurecimiento o el ablandamiento de un material. Las técnicas de tratamiento térmico incluyen el recocido , el cementado , el reforzamiento por precipitación , el templado y el temple . Aunque el término "tratamiento térmico" se aplica solo a los procesos en los que el calentamiento y el enfriamiento se realizan con el propósito específico de alterar las propiedades de manera intencional, el calentamiento y el enfriamiento a menudo ocurren de manera incidental durante otros procesos de fabricación, como el conformado en caliente o la soldadura.
Después de la eliminación de las compuertas y el tratamiento térmico, la arena u otros medios de moldeo pueden permanecer adheridos a la pieza fundida. Para eliminar los restos del molde, la superficie se limpia mediante un proceso de granallado. Esto significa que se propulsará un medio granular contra la superficie de la pieza fundida para eliminar mecánicamente la arena adherida. El medio puede soplarse con aire comprimido o puede lanzarse utilizando una rueda de granallado. El medio de limpieza golpea la superficie de la pieza fundida a alta velocidad para desalojar los restos del molde (por ejemplo, arena, escoria) de la superficie de la pieza fundida. Se pueden utilizar numerosos materiales para limpiar las superficies fundidas, incluidos acero, hierro, otras aleaciones metálicas, óxidos de aluminio, perlas de vidrio, cáscaras de nuez, levadura en polvo y muchos otros. El medio de granallado se selecciona para desarrollar el color y la reflectancia de la superficie de la pieza fundida. Los términos utilizados para describir este proceso incluyen limpieza, granallado y granallado . Se puede utilizar granallado para endurecer aún más la superficie y terminarla.
El paso final del proceso de fundición generalmente implica esmerilar, lijar o mecanizar el componente para lograr las precisiones dimensionales, la forma física y el acabado superficial deseados.
La eliminación del material restante de la compuerta, llamado trozo de compuerta, generalmente se realiza con una amoladora o lijadora . Estos procesos se utilizan porque sus velocidades de eliminación de material son lo suficientemente lentas como para controlar la cantidad de material que se elimina. Estos pasos se realizan antes de cualquier mecanizado final.
Después del rectificado, se mecanizan las superficies que requieren un control dimensional estricto. Muchas piezas fundidas se mecanizan en centros de fresado CNC . La razón es que estos procesos tienen una mejor capacidad dimensional y repetibilidad que muchos procesos de fundición. Sin embargo, hoy en día no es raro que las piezas fundidas se utilicen sin mecanizar.
Algunas fundiciones ofrecen otros servicios antes de enviar los productos fundidos a sus clientes. Es habitual pintar las piezas fundidas para evitar la corrosión y mejorar su aspecto. Algunas fundiciones ensamblan las piezas fundidas en máquinas completas o subconjuntos. Otras fundiciones sueldan varias piezas fundidas o metales forjados para formar un producto terminado. [3]
Cada vez más, los procesos de acabado se llevan a cabo con máquinas robóticas, que eliminan la necesidad de que un ser humano recicle o rompa físicamente las líneas de separación, el material de entrada o los alimentadores. Las máquinas pueden reducir el riesgo de lesiones a los trabajadores y los costos de los consumibles, al tiempo que aumentan la productividad. También limitan el potencial de error humano y aumentan la repetibilidad en la calidad del rectificado. [5]
La simulación de procesos de fundición utiliza métodos numéricos para calcular la calidad de los componentes fundidos teniendo en cuenta el llenado del molde, la solidificación y el enfriamiento, y proporciona una predicción cuantitativa de las propiedades mecánicas de la fundición, las tensiones térmicas y la distorsión. La simulación describe con precisión la calidad de un componente fundido por adelantado, antes de que comience la producción. El aparejo de fundición se puede diseñar con respecto a las propiedades requeridas del componente. Esto tiene beneficios más allá de una reducción en el muestreo previo a la producción, ya que la disposición precisa del sistema de fundición completo también conduce a ahorros de energía , material y herramientas.
El software ayuda al usuario en el diseño de componentes, la determinación de la práctica de fundición y el método de fundición hasta la fabricación de patrones y moldes, el tratamiento térmico y el acabado. Esto ahorra costos a lo largo de todo el proceso de fabricación de piezas fundidas.
La simulación del proceso de fundición se desarrolló inicialmente en universidades a principios de los años 70 , principalmente en Europa y en los EE. UU ., y se considera la innovación más importante en tecnología de fundición de los últimos 50 años. Desde finales de los años 80 , existen programas comerciales (como PoligonSoft, AutoCAST y Magma) que permiten a las fundiciones obtener nuevos conocimientos sobre lo que sucede dentro del molde o la matriz durante el proceso de fundición. [6]
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