Una fundición es una fábrica que produce piezas fundidas de metal . Los metales se moldean para darles formas al fundirlos en un líquido, verter el metal en un molde y retirar el material del molde después de que el metal se haya solidificado mientras se enfría. Los metales más comúnmente 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 las 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 manufacturero, fundiendo y refundiendo millones de toneladas de chatarra cada año para crear nuevos bienes duraderos. Además, muchas fundiciones utilizan arena en su proceso de moldeo. Estas fundiciones suelen utilizar, reacondicionar y reutilizar 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 parte solidificada también se conoce como pieza fundida, que se expulsa o se rompe del molde para completar el proceso. La fundición se utiliza con mayor frecuencia para crear formas complejas que serían difíciles o antieconómicas de realizar con otros métodos. [2]
La fusión se realiza en un horno . Para cargar el horno se utiliza material virgen, chatarra externa, chatarra interna y elementos de aleación. El material virgen se refiere a 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 ferroaleaciones o aleaciones maestras. La chatarra externa es material procedente de otros procesos de conformado, como punzonado , forjado o mecanizado . La chatarra interna consiste en puertas , contrahuellas , piezas fundidas defectuosas y otros fragmentos metálicos extraños producidos dentro de la instalación.
El proceso incluye fundir la carga, refinar la masa fundida, ajustar la química de la masa fundida y conectarla a un recipiente de transporte. El refinado se realiza para eliminar gases y elementos nocivos del metal fundido para evitar defectos de fundición. El material se agrega durante el proceso de fusión para llevar la química final dentro de un rango específico especificado por la industria y/o los estándares internos. Se pueden usar ciertos fundentes para separar el metal de la escoria y/o escoria y se usan desgasificadores para eliminar el gas disuelto de los metales que se disuelven fácilmente en gases. Durante el grifo, se realizan los ajustes químicos finales. [3]
Se utilizan varios hornos especializados para calentar el metal. Los hornos son recipientes revestidos de refractario que contienen el material 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 producidas del sistema de aleación. Para materiales ferrosos se utilizan comúnmente hornos de arco eléctrico, cúpulas y hornos de inducción. Los hornos de reverbero y de crisol son comunes para producir piezas fundidas de aluminio, bronce y latón.
El diseño de hornos es un proceso complejo y el diseño se puede optimizar en función de múltiples factores. Los hornos en las fundiciones pueden ser de cualquier tamaño, desde pequeños utilizados para fundir metales preciosos hasta hornos que pesan varias toneladas, diseñados para fundir cientos de libras de chatarra a la vez. Están diseñados 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 de punto de fusión a baja temperatura, como zinc o estaño, los hornos de fusión pueden alcanzar alrededor de 500 °C (932 °F). Para alcanzar estas temperaturas se suele utilizar electricidad, propano o gas natural. Para aleaciones de alto punto de fusión, como acero o 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 empleada 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 hierro fundido) puede utilizar un cubilote , un horno de inducción o un EAF, mientras que una fundición de acero utilizará un EAF o un horno de inducción. Las fundiciones de bronce o latón utilizan hornos de crisol u hornos de inducción. La mayoría de las fundiciones de aluminio utilizan hornos de crisol calentados por gas o de resistencia eléctrica o hornos de reverbero. [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 piezas fundidas de metal de dos maneras:
El hidrógeno es un contaminante común para la mayoría de los metales fundidos. Se forma como resultado de reacciones de materiales o del vapor de agua o lubricantes de 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 enfríe y solidifique. La porosidad suele deteriorar gravemente las propiedades mecánicas del metal.
Una forma eficaz de eliminar el hidrógeno de la masa fundida es hacer burbujear un gas seco e insoluble a través de la masa fundida mediante purga o agitación. Cuando las burbujas suben al derretirse, atrapan el hidrógeno disuelto y lo llevan a la superficie. Para desgasificar metales no ferrosos se utilizan a menudo cloro, nitrógeno, helio y argón. 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 los que la porosidad aún permanece presente después del proceso de desgasificación, el sellado de la porosidad se puede lograr mediante un proceso llamado impregnación de metal .
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 realizan en dos partes, llamados patrones divididos. Un patrón dividido tiene una sección superior o superior, llamada capa, y una sección inferior o inferior llamada arrastre. 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 el frente y el arrastre se llama 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 borrador . Lo opuesto al borrador es un corte socavado donde hay parte del patrón debajo del material del molde, lo que hace imposible quitar el patrón sin dañar el molde.
El patrón está hecho de cera, madera, plástico o metal. Los moldes se construyen mediante varios procesos diferentes que dependen del tipo de fundición, el metal que se va a verter, la cantidad de piezas que se van a producir, el tamaño de la fundición y la complejidad de la misma. Estos procesos de moldeo incluyen:
En una fundición, el metal fundido se vierte en moldes . El vertido se puede realizar por gravedad o se puede ayudar con vacío o gas presurizado. Muchas fundiciones modernas utilizan robots o máquinas de vertido automáticas para verter metal fundido. Tradicionalmente, los moldes se vertían a mano utilizando cucharones .
A continuación se retira el componente metálico solidificado de su molde. Cuando el molde tiene una base de arena, esto se puede hacer agitando o dando vueltas. Esto libera la pieza fundida de la arena, que todavía está adherida a los corredores y compuertas de metal, que son los canales a través de los cuales viajó el metal fundido para llegar al componente mismo.
Desengrasar es retirar los cabezales, guías, compuertas y contrahuellas de la pieza fundida. Los corredores, puertas y contrahuellas se pueden quitar usando sopletes , sierras de cinta o hojas de corte de cerámica. Para algunos tipos de metal, y con algunos diseños de sistemas de compuerta, el bebedero, los canales y las compuertas se pueden quitar separándolos de la pieza fundida con un mazo o con maquinaria de extracción especialmente diseñada. Por lo general, las contrahuellas deben retirarse mediante un método de corte (ver arriba), pero algunos métodos más nuevos de extracción de contrahuellas utilizan maquinaria de imitación con diseños especiales incorporados en la geometría del cuello de la contrahuella que permiten que la contrahuella se rompa en el lugar correcto.
El sistema de compuerta necesario para producir piezas fundidas en un molde produce restos de metal, incluidos cabezales, elevadores 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 volverse a fundir como salvamento, el rendimiento de una configuración de entrada particular se convierte en una consideración económica importante al diseñar varios esquemas de entrada, para minimizar el costo del exceso de bebedero y, por lo tanto, los costos generales de fusión.
El tratamiento térmico es un grupo de procesos industriales y metalúrgicos 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 calentamiento o enfriamiento, normalmente a temperaturas extremas, para lograr un resultado deseado, como el endurecimiento o ablandamiento de un material. Las técnicas de tratamiento térmico incluyen recocido , endurecimiento por cementación , fortalecimiento por precipitación , revenido y enfriamiento rápido . Aunque el término "tratamiento térmico" se aplica sólo a procesos en los que el calentamiento y el enfriamiento se realizan con el propósito específico de alterar intencionalmente las propiedades, el calentamiento y el enfriamiento a menudo ocurren incidentalmente durante otros procesos de fabricación, como el conformado en caliente o la soldadura.
Después de desgasificar y tratar térmicamente, la arena u otros medios de moldeo pueden permanecer adheridos a la pieza fundida. Para eliminar posibles restos de moho, se limpia la superficie mediante un proceso de granallado. Esto significa que se impulsará un medio granular contra la superficie de la pieza fundida para eliminar mecánicamente la arena adherida. El medio se puede soplar con aire comprimido o lanzarse con una rueda de perdigones. 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 superficies fundidas, incluidos acero, hierro, otras aleaciones metálicas, óxidos de aluminio, perlas de vidrio, cáscaras de nueces, levadura en polvo y muchos otros. El medio de granallado se selecciona para desarrollar el color y la reflectancia de la superficie fundida. Los términos utilizados para describir este proceso incluyen limpieza, granallado y granallado con arena . El granallado se puede utilizar para endurecer aún más y terminar la superficie.
El paso final en el proceso de fundición generalmente implica esmerilar, lijar o mecanizar el componente para lograr la precisión dimensional, la forma física y el acabado superficial deseados.
La eliminación del material restante de la puerta, llamado trozo de puerta, 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 todas las superficies que requieren un estricto control dimensional. Muchas piezas fundidas se mecanizan en centros de fresado CNC . La razón de esto es que estos procesos tienen 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 mecanizado.
Algunas fundiciones brindan otros servicios antes de enviar productos fundidos a sus clientes. Es común pintar piezas fundidas para prevenir la corrosión y mejorar el atractivo visual. Algunas fundiciones ensamblan piezas fundidas en máquinas completas o subconjuntos. Otras fundiciones sueldan múltiples piezas fundidas o metales forjados para formar un producto terminado. [3]
Cada vez más, los procesos de acabado se realizan mediante máquinas robóticas, que eliminan la necesidad de que un humano esmerile 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 reducir los costos de los consumibles, al mismo 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, la solidificación y el enfriamiento del molde, y proporciona una predicción cuantitativa de las propiedades mecánicas, las tensiones térmicas y la distorsión de la fundición. La simulación describe con precisión la calidad de un componente fundido 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 la reducción del muestreo de preproducción, ya que el diseño preciso del sistema de fundición completo también genera ahorros de energía , material y herramientas.
El software ayuda al usuario en el diseño de componentes, la determinación de las prácticas de fusión y los métodos de fundición hasta la fabricación de patrones y moldes, el tratamiento térmico y el acabado. Esto ahorra costes a lo largo de toda la ruta de fabricación de la fundición.
La simulación del proceso de fundición se desarrolló inicialmente en universidades a principios de los años 70 , principalmente en Europa y EE.UU. , y se considera la innovación más importante en la 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 matriz durante el proceso de fundición. [6]
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