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Fundición a la cera perdida

Tapa de entrada-salida de una válvula para una central nuclear fabricada mediante fundición a la cera perdida

La fundición a la cera perdida es un proceso industrial basado en la fundición a la cera perdida , una de las técnicas de conformado de metales más antiguas que se conocen. [1] El término "fundición a la cera perdida" también puede referirse a los modernos procesos de fundición a la cera perdida.

La fundición a la cera perdida se ha utilizado de diversas formas durante los últimos 5.000 años. En sus primeras formas, la cera de abejas se utilizaba para formar los patrones necesarios para el proceso de fundición. Hoy en día, para crear patrones se suelen utilizar ceras más avanzadas, materiales refractarios y aleaciones especializadas. La fundición a la cera perdida se valora por su capacidad para producir componentes con precisión, repetibilidad, versatilidad e integridad en una variedad de metales y aleaciones de alto rendimiento.

Los frágiles patrones de cera deben resistir las fuerzas encontradas durante la fabricación del molde. Gran parte de la cera utilizada en la fundición a la cera perdida se puede recuperar y reutilizar. [2] La fundición a espuma perdida es una forma moderna de fundición a la cera perdida que elimina ciertos pasos del proceso.

La fundición a la cera perdida se llama así porque el proceso reviste (rodea) el patrón con material refractario para hacer un molde, y se vierte una sustancia fundida en el molde. Los materiales que se pueden fundir incluyen aleaciones de acero inoxidable, latón, aluminio, acero al carbono y vidrio. La cavidad dentro del molde refractario es un duplicado ligeramente grande pero por lo demás exacto de la pieza deseada. Debido a la dureza de los materiales refractarios utilizados, la fundición a la cera perdida puede producir productos con cualidades superficiales excepcionales, lo que puede reducir la necesidad de procesos mecánicos secundarios. [3]

La fundición a la cera perdida con vidrio soluble y sol de sílice son los dos principales métodos de fundición a la cera perdida actualmente en uso. Las principales diferencias son la rugosidad de la superficie y el coste de la fundición. El método de vidrio soluble se desparafina en agua a alta temperatura y el molde cerámico está hecho de arena de cuarzo de vidrio soluble. El método de sol de sílice desparafina en el fuego instantáneo, y la arena de circón con sol de sílice elabora el molde cerámico. El método del sol de sílice cuesta más pero tiene mejor superficie que el método del vidrio soluble. [4]

El proceso se puede utilizar tanto para piezas fundidas pequeñas de unas pocas onzas como para piezas fundidas grandes que pesan varios cientos de libras. Puede ser más costoso que la fundición a presión o la fundición en arena , pero los costos unitarios disminuyen con grandes volúmenes. La fundición a la cera perdida puede producir formas complicadas que serían difíciles o imposibles con otros métodos de fundición. También puede producir productos con cualidades superficiales excepcionales y tolerancias bajas con un acabado superficial o mecanizado mínimos.

Proceso

Un patrón de cera utilizado para crear un álabe de turbina de motor a reacción.

Las piezas fundidas se pueden hacer a partir de un modelo de cera original (el método directo) o de réplicas en cera de un patrón original que no necesitan estar hechas de cera (el método indirecto). Los siguientes pasos describen el proceso indirecto, que puede tardar de dos a siete días en completarse.

  1. Producir un patrón maestro : un artista o fabricante de moldes crea un patrón original a partir de cera , arcilla , madera , plástico u otro material. [5] En los últimos años, la producción de patrones utilizando la impresión 3D de modelos producidos por software de diseño asistido por computadora se ha vuelto popular utilizando principalmente estereolitografía basada en resina (SLA) o impresoras 3D DLP para patrones de alta resolución o filamento PLA estándar cuando se obtienen altos niveles de precisión. no son necesarios. Si utiliza un patrón impreso en 3D, vaya directamente al paso 5.
  2. Crear un molde : Se fabrica un molde , conocido como troquel maestro , para que se ajuste al patrón maestro. Si el patrón maestro se hizo de acero, el troquel maestro se puede fundir directamente desde el patrón usando metal con un punto de fusión más bajo. Los moldes de caucho también se pueden fundir directamente a partir del patrón maestro. Alternativamente, se puede mecanizar un troquel maestro de forma independiente, sin crear un patrón maestro. [5]
  3. Producir patrones de cera : Aunque se denominan patrones de cera , los materiales de los patrones también pueden incluir plástico y mercurio congelado . [5] Los patrones de cera se pueden producir de dos maneras. En un proceso, la cera se vierte en el molde y se agita hasta que una capa uniforme, generalmente de unos 3 mm (0,12 pulgadas) de espesor, cubre la superficie interna del molde. Esto se repite hasta alcanzar el grosor del patrón deseado. Otro método consiste en llenar todo el molde con cera fundida y dejarlo enfriar como un objeto sólido. [ cita necesaria ]
    Si se requiere un núcleo, hay dos opciones: cera soluble o cerámica. Los núcleos de cera soluble están diseñados para derretirse del revestimiento de revestimiento con el resto del patrón de cera; Los núcleos cerámicos se eliminan después de que el producto se haya endurecido. [5]
  4. Ensamble patrones de cera : se pueden crear y ensamblar múltiples patrones de cera en un patrón grande para fundirlo en un solo lote. En esta situación, los patrones se unen a un bebedero de cera para crear un grupo o árbol de patrones. Para unir patrones, se utiliza una herramienta calefactora para derretir ligeramente las superficies de cera designadas, que luego se presionan entre sí y se dejan enfriar y endurecer. Se pueden ensamblar hasta varios cientos de patrones en un árbol. [5] [6] Los patrones de cera también se pueden tallar , lo que significa que las líneas de separación o los tapajuntas se borran con la herramienta de metal calentada. Finalmente, los patrones se visten (eliminando imperfecciones) para que parezcan piezas terminadas. [7]
  5. Aplicar materiales de revestimiento : el molde cerámico, conocido como revestimiento , se produce repitiendo una serie de pasos (recubrimiento, estuco y endurecimiento) hasta lograr el espesor deseado.
    1. El recubrimiento implica sumergir un grupo de patrones en una suspensión de material refractario fino y luego drenarlo para crear un recubrimiento superficial uniforme. En este primer paso, también llamado capa base , se utilizan materiales finos para preservar los detalles finos del molde.
    2. El estuco aplica partículas cerámicas gruesas sumergiendo patrones en un lecho fluidizado , colocándolos en una lijadora tipo lluvia o aplicando materiales a mano.
    3. El endurecimiento permite que los recubrimientos se curen. Estos pasos se repiten hasta que el revestimiento alcanza el espesor requerido, generalmente de 5 a 15 mm (0,2 a 0,6 pulgadas). Los moldes de revestimiento se dejan secar por completo, lo que puede tardar entre 16 y 48 horas. El secado se puede acelerar aplicando vacío o minimizando la humedad ambiental. También se pueden crear moldes de revestimiento colocando los grupos de patrones en un matraz y luego vertiendo material de revestimiento líquido desde arriba. Luego se hace vibrar el matraz para permitir que escape el aire atrapado y ayudar al material de revestimiento a llenar los pequeños huecos. [5] [8]
    4. Materiales : los materiales refractarios comunes utilizados para crear los revestimientos son: sílice, circón, diversos silicatos de aluminio y alúmina . La sílice se usa generalmente en forma de sílice fundida , pero a veces se usa cuarzo porque es menos costoso. Los silicatos de aluminio son una mezcla de alúmina y sílice, donde las mezclas comúnmente utilizadas tienen un contenido de alúmina del 42 al 72%; con un 72% de alúmina el compuesto se conoce como mullita . Durante las capas primarias, se utilizan comúnmente refractarios a base de circonio , porque es menos probable que el circonio reaccione con el metal fundido. [8] Antes de la sílice, se utilizaba una mezcla de yeso y moldes viejos triturados ( chamota ). [9] Los aglutinantes utilizados para mantener el material refractario en su lugar incluyen: silicato de etilo (a base de alcohol y químicamente fraguado), sílice coloidal (a base de agua, también conocida como sol de sílice, fraguada por secado), silicato de sodio y un híbrido. de estos controlados por pH y viscosidad .
  6. Desparafinado : una vez que los moldes cerámicos se han curado por completo, se les da la vuelta y se colocan en un horno o autoclave para derretir y/o vaporizar la cera. La mayoría de las fallas de la carcasa ocurren en este punto porque las ceras utilizadas tienen un coeficiente de expansión térmica mucho mayor que el material de revestimiento que la rodea; a medida que la cera se calienta, se expande e introduce tensión. Para minimizar estas tensiones, la cera se calienta lo más rápido posible para que las superficies exteriores de la cera puedan derretirse y drenar rápidamente, dejando espacio para que el resto de la cera se expanda. En determinadas situaciones, se pueden perforar agujeros en el molde antes de calentarlo para ayudar a reducir estas tensiones. La cera que sale del molde suele recuperarse y reutilizarse. [10]
  7. Precalentamiento de quemado : Luego, el molde se somete a un quemado , que calienta el molde entre 870 °C y 1095 °C para eliminar la humedad y la cera residual, y sinterizar el molde. A veces este calentamiento también se utiliza para precalentar el molde antes de verterlo, pero otras veces se deja enfriar el molde para poder probarlo. El precalentamiento permite que el metal permanezca líquido por más tiempo para que pueda llenar mejor todos los detalles del molde y aumentar la precisión dimensional. Si se deja enfriar el molde, las grietas encontradas se pueden reparar con lechada cerámica o cementos especiales. [10] [11]
  8. Vertido : A continuación se coloca el molde de revestimiento con el lado abierto hacia arriba en un recipiente lleno de arena. El metal se puede verter por gravedad o forzar aplicando presión de aire positiva u otras fuerzas. La fundición al vacío , la fundición inclinada , el vertido asistido por presión y la fundición centrífuga son métodos que utilizan fuerzas adicionales y son especialmente útiles cuando los moldes contienen secciones delgadas que de otro modo serían difíciles de llenar. [11]
  9. Desinversión : La cáscara se martilla, se chorrea con medios , se vibra , se aplica con chorro de agua o se disuelve químicamente (a veces con nitrógeno líquido ) para liberar la pieza fundida. El bebedero se corta y se recicla. Luego se puede limpiar la pieza fundida para eliminar los signos del proceso de fundición, generalmente mediante esmerilado . [11]
  10. Acabado : Después del pulido, la pieza fundida terminada se somete a acabado. Esto suele ir más allá del pulido, ya que las impurezas y los negativos se eliminan mediante herramientas manuales y soldadura. En el caso de que la pieza necesite un enderezamiento adicional, este proceso se suele realizar mediante prensas enderezadoras hidráulicas, que ajustan el producto a sus tolerancias. [12]

Ventajas

Desventajas

La principal desventaja es el coste total, especialmente para producciones de corta duración. Algunas de las razones del alto costo incluyen equipo especializado, refractarios y aglutinantes costosos, muchas operaciones para fabricar un molde, se necesita mucha mano de obra y ocasionalmente se producen defectos diminutos. Sin embargo, el costo sigue siendo menor que el de producir la misma pieza mecanizando a partir de barras ; por ejemplo, la fabricación de armas ha pasado a la fundición a la cera perdida para reducir los costos de producción de pistolas .

Además:

Fundición contragravedad

La variación de la técnica de vertido por gravedad es llenar el molde mediante vacío. Una forma común de esto se llama proceso Hitchiner en honor a Hitchiner Manufacturing Company que inventó la técnica. En esta técnica, el molde tiene un tubo de llenado descendente que desciende hacia la masa fundida. Un vacío atrae la masa fundida hacia la cavidad; cuando las piezas importantes se han solidificado, se libera el vacío y el material no utilizado sale del molde. La técnica puede utilizar sustancialmente menos material que el vertido por gravedad porque no es necesario que el bebedero y algunas compuertas se solidifiquen. [17] [18]

Esta técnica es más eficiente en términos de metal que el vertido tradicional porque se solidifica menos material en el sistema de compuerta. El vertido por gravedad sólo tiene un rendimiento de metal del 15 al 50% en comparación con el 60 al 95% del vertido por contragravedad. También hay menos turbulencia, por lo que el sistema de compuerta se puede simplificar ya que no tiene que controlar la turbulencia. El metal se extrae desde debajo de la parte superior de la piscina, por lo que está libre de escoria y escoria (que son de menor densidad (más livianas) y flotan hasta la parte superior de la piscina). El diferencial de presión ayuda a que el metal fluya hacia cada complejidad del molde. Finalmente se pueden utilizar temperaturas más bajas, lo que mejora la estructura del grano. [17]

Este proceso también se utiliza para fundir cerámicas refractarias bajo el término colada al vacío . [19]

Fundición a presión al vacío

La fundición a presión al vacío ( VPC ), denominada correctamente vertido directo asistido por vacío , utiliza presión de gas y vacío para mejorar la calidad de la fundición y minimizar la porosidad . Normalmente, las máquinas VPC constan de una cámara superior y una cámara inferior: la cámara superior, o cámara de fusión, que alberga el crisol y la cámara de fundición inferior que alberga el molde de revestimiento. Ambas cámaras están conectadas mediante un pequeño orificio que contiene un tapón. Se crea un vacío en la cámara inferior, mientras se aplica presión en la superior y luego se retira el tapón. Esto crea el mayor diferencial de presión para llenar los moldes. [20] Los materiales más comunes para el proceso de fundición al vacío son las aleaciones con alto contenido de níquel y las superaleaciones. Los productos con turbocompresor son aplicaciones comunes para este proceso de fundición, [21] aunque también se utiliza habitualmente en la fabricación de joyas de plata y oro.

Detalles

La fundición a la cera perdida se utiliza con casi cualquier metal moldeable. Sin embargo, las aleaciones de aluminio, las aleaciones de cobre y el acero son las más comunes. En uso industrial, los límites de tamaño son de 3 g (0,1 oz) a varios cientos de kilogramos. [22] Los límites de la sección transversal son de 0,6 mm (0,024 pulg.) a 75 mm (3,0 pulg.). Las tolerancias típicas son 0,1 mm para los primeros 25 mm (0,005 pulgadas para la primera pulgada) y 0,02 mm para cada centímetro adicional (0,002 pulgadas por cada pulgada adicional). Un acabado de superficie estándar es de 1,3 a 4 micrómetros (50 a 125 μin) RMS. [13]

Historia

La historia de la fundición a la cera perdida se remonta a miles de años. [23] Su primer uso fue para ídolos , adornos y joyas , utilizando cera de abejas natural para los patrones, arcilla para los moldes y fuelles operados manualmente para alimentar los hornos. Se han encontrado ejemplos en todo el mundo, como en los ídolos de la civilización Harappa (2500-2000 a. C.), las tumbas egipcias de Tutankamón (1333-1324 a. C.), Mesopotamia , el México azteca y maya , y la civilización de Benin en África , donde los El proceso produjo obras de arte detalladas en cobre, bronce y oro. Con diferencia, uno de los primeros usos identificados del proceso de fundición a la cera perdida se vio en objetos encontrados en la "Cueva del Tesoro", descubierta en el sur de Israel. Se identificó que estos artículos se fabricaron alrededor del 3700 a. C. utilizando técnicas de datación por carbono 14. [24]

El texto más antiguo conocido que describe el proceso de fundición a la cera perdida (Schedula Diversarum Artium) fue escrito alrededor del año 1100 d. C. por Theophilus Presbyter , un monje que describió varios procesos de fabricación, incluida la receta del pergamino . Este libro fue utilizado por el escultor y orfebre Benvenuto Cellini (1500–1571), quien detalló en su autobiografía el proceso de fundición a la cera perdida que utilizó para la escultura de Perseo con la cabeza de Medusa que se encuentra en la Loggia dei Lanzi en Florencia , Italia .

La fundición a la cera perdida comenzó a utilizarse como un proceso industrial moderno a finales del siglo XIX, cuando los dentistas comenzaron a utilizarla para hacer coronas e incrustaciones, como lo describió Barnabas Frederick Philbrook de Council Bluffs, Iowa en 1897. [25] Su uso fue acelerado por William H. Taggart de Chicago, cuyo artículo de 1907 describió el desarrollo de una técnica [ cita necesaria ] . También formuló un compuesto de cera con excelentes propiedades, desarrolló un material de revestimiento e inventó una máquina de fundición a presión de aire.

En la década de 1940, la Segunda Guerra Mundial aumentó la demanda de fabricación de formas netas de precisión y aleaciones especializadas que no podían moldearse con métodos tradicionales o que requerían demasiado mecanizado. La industria recurrió a la fundición a la cera perdida. Después de la guerra, su uso se extendió a muchas aplicaciones comerciales e industriales que utilizaban piezas metálicas complejas.

Aplicaciones

Planetary Resources presentó el satélite de bus espacial integral de titanio en febrero de 2014. El molde de sacrificio para la fundición a la cera perdida se imprimió en 3D con enrutamiento de cables integral y un tanque de propulsor toroidal. De izquierda a derecha: Peter Diamandis , Chris Lewicki y Steve Jurvetson .

La fundición a la cera perdida se utiliza en las industrias aeroespacial y de generación de energía para producir álabes de turbinas con formas complejas o sistemas de refrigeración. [13] Las palas producidas mediante fundición a la cera perdida pueden incluir palas monocristalinas (SX), solidificadas direccionalmente (DS) o equiaxiales convencionales.

Los fabricantes de armas de fuego también utilizan ampliamente la fundición a la cera perdida para fabricar receptores, gatillos, martillos y otras piezas de precisión de armas de fuego a bajo costo. [ cita necesaria ]

Karsten Solheim revolucionó el diseño de palos de golf a través de su empresa PING al incorporar por primera vez el microcasting en las cabezas de los palos. [26] Rápidamente el proceso se convirtió en un estándar de la industria para permitir la distribución del peso alrededor del perímetro de la cabeza del palo.

Otras industrias que utilizan piezas estándar de fundición son la militar, aeroespacial, médica, de joyería, aérea, automotriz y de clubes de golf, especialmente desde el inicio de la tecnología de impresión 3D.

Con la mayor disponibilidad de impresoras 3D de mayor resolución , la impresión 3D ha comenzado a utilizarse para fabricar moldes de sacrificio mucho más grandes utilizados en la fundición a la cera perdida. Planetary Resources ha utilizado esta técnica para imprimir el molde de un nuevo satélite pequeño , que luego se sumerge en cerámica para formar el molde de inversión para un autobús espacial de titanio con tanque de propulsor integral y enrutamiento de cables integrado.

Ver también

Referencias

Notas

  1. ^ Descripción del proceso de fundición a la cera perdida
  2. ^ Kalpakjian y Schmid 2006.
  3. ^ Fundición de inversión
  4. ^ "Casting de inversión" . Consultado el 10 de octubre de 2017 .
  5. ^ abcdef Degarmo, Black y Kohser 2003, pág. 317.
  6. ^ Manual de ASM, pag. 257.
  7. ^ Dvorak, Donna (mayo de 2008), "El arte no tan perdido de la fundición a la cera perdida", El cobre en las artes (13).
  8. ^ ab Manual de ASM, págs.
  9. ^ Sias 2006, págs. 13-14.
  10. ^ ab Manual de ASM, págs.
  11. ^ a b C Degarmo, Black y Kohser 2003, pág. 318.
  12. ^ "Una guía para el proceso de fundición a la cera perdida. Texmo Precision Castings". Fundición de precisión Texmo . Consultado el 27 de febrero de 2019 .
  13. ^ abcdefg Degarmo, Black y Kohser 2003, pág. 319.
  14. ^ "Casting de inversión". Fuerza más allá . Consultado el 30 de marzo de 2021 .
  15. ^ "Minimización de energía y residuos en la industria de fundición a la cera perdida" (PDF) . El Consejo Americano para una Economía Energéticamente Eficiente . Consultado el 30 de marzo de 2021 .
  16. ^ "Casting de inversión". La Universidad Abierta . Consultado el 30 de marzo de 2021 .
  17. ^ ab Degarmo, Black y Kohser 2003, págs.
  18. ^ "Servicios de fundición contragravedad de Hitchiner". Archivado desde el original el 8 de diciembre de 2015 . Consultado el 5 de diciembre de 2015 .
  19. ^ Mitchell, Brian S. (2004), Introducción a la ciencia y la ingeniería de materiales para ingenieros químicos y de materiales, Wiley-IEEE, p. 725, ISBN 978-0-471-43623-2.
  20. ^ Máquina de fundición a presión al vacío VPC K2S , consultado el 3 de marzo de 2010 .
  21. ^ "Fundición de aleación de níquel".
  22. ^ "División de Wisconsin Investcast". MetalTek . 2014-10-30 . Consultado el 9 de junio de 2016 .
  23. ^ "La larga historia de la fundición a la cera perdida. Más de cinco mil años de arte y artesanía - ITRI - Mercados, tecnología y sostenibilidad del estaño". www.itri.co.uk.​ Consultado el 9 de junio de 2016 .
  24. ^ "Todo lo que necesita saber sobre la fundición a la cera perdida". www.deangroup-int.co.uk . Consultado el 27 de octubre de 2021 .
  25. ^ Asgar K (1988). "Fundición de metales en odontología: pasado - presente - futuro" (PDF) . Avances en la investigación dental . 1 (2): 33–43. doi :10.1177/08959374880020011701. hdl : 2027.42/67759 . PMID  3073783. S2CID  17215227.
  26. ^ "Karsten Solheim cambió el equipo de golf para siempre y él también me cambió a mí". 6 de febrero de 2011 . Consultado el 3 de febrero de 2019 .

Bibliografía

enlaces externos

Wikimedia Commons tiene medios relacionados con el casting de inversión .