La fundición en arena , también conocida como fundición moldeada en arena , es un proceso de fundición de metales que se caracteriza por utilizar arena , conocida como arena de fundición , como material del molde . El término "fundición en arena" también puede referirse a un objeto producido mediante el proceso de fundición en arena. Las piezas fundidas en arena se producen en fábricas especializadas llamadas fundiciones . En 2003, más del 60% de todas las piezas fundidas de metal se produjeron mediante fundición en arena. [1]
Los moldes hechos de arena son relativamente baratos y suficientemente refractarios incluso para su uso en fundiciones de acero. Además de la arena, se mezcla o se mezcla con la arena un agente aglutinante adecuado (normalmente arcilla). La mezcla se humedece, normalmente con agua, pero a veces con otras sustancias, para desarrollar la resistencia y plasticidad de la arcilla y hacer que el agregado sea apto para moldear. La arena normalmente está contenida en un sistema de marcos o cajas de moldes conocido como matraz . Las cavidades del molde y el sistema de compuerta se crean compactando la arena alrededor de modelos llamados patrones , tallando directamente en la arena o mediante impresión 3D .
Hay cinco pasos en este proceso:
A partir del diseño, proporcionado por un diseñador, un patronista experto construye un patrón del objeto a producir, utilizando madera, metal o un plástico como el poliestireno expandido. La arena se puede moler, barrer o esparcir para darle forma. El metal que se va a fundir se contraerá durante la solidificación y esto puede no ser uniforme debido a un enfriamiento desigual. Por lo tanto, el patrón debe ser ligeramente más grande que el producto terminado, una diferencia conocida como margen de contracción . Se utilizan diferentes reglas de escala para diferentes metales, porque cada metal y aleación se contrae en una cantidad distinta de todos los demás. Los patrones también tienen impresiones centrales que crean registros dentro de los moldes en los que se colocan los núcleos de arena . Estos núcleos, a veces reforzados con alambres, se utilizan para crear perfiles recortados y cavidades que no pueden moldearse con la superficie y el arrastre, como los conductos interiores de las válvulas o los conductos de refrigeración de los bloques de motores.
Los caminos para la entrada de metal a la cavidad del molde constituyen el sistema de canales e incluyen el bebedero , varios alimentadores que mantienen una buena "alimentación" del metal y puertas de entrada que unen el sistema de canales a la cavidad de fundición. El gas y el vapor generados durante la fundición salen a través de la arena permeable o mediante elevadores , [nota 1] que se agregan en el patrón mismo o como piezas separadas.
Además de los patrones, el moldeador de arena también podría utilizar herramientas para crear los agujeros.
Se prepara una caja de moldeo de varias partes (conocida como matraz de fundición , cuyas mitades superior e inferior se conocen respectivamente como cubierta y arrastre) para recibir el patrón. Las cajas de moldura se fabrican en segmentos que pueden engancharse entre sí y para finalizar los cierres. Para un objeto simple, plano por un lado, la parte inferior de la caja, cerrada en el fondo, se rellenará con arena para moldear. La arena se compacta mediante un proceso vibratorio llamado apisonamiento y, en este caso, se nivela periódicamente . Luego se puede estabilizar la superficie de la arena con un compuesto de apresto. El patrón se coloca sobre la arena y se agrega otro segmento de caja de moldura. Se apisona arena adicional sobre y alrededor del patrón. Finalmente se coloca una tapa sobre la caja y se gira y se abre, de modo que se puedan separar las mitades del molde y retirar el patrón con su bebedero y sus patrones de ventilación. Se pueden agregar tamaños adicionales y se corrige cualquier defecto introducido por la eliminación del patrón. La caja se vuelve a cerrar. Esto forma un molde "verde" que debe secarse para recibir el metal caliente. Si el molde no se seca lo suficiente, puede producirse una explosión de vapor que puede arrojar el metal fundido. En algunos casos, la arena puede estar aceitada en lugar de humedecida, lo que hace posible el vaciado sin esperar a que se seque la arena. La arena también puede estar unida mediante aglutinantes químicos, como resinas de furano o resinas endurecidas con aminas.
La fabricación aditiva (AM) se puede utilizar en la preparación del molde de arena, de modo que en lugar de que el molde de arena se forme empaquetando arena alrededor de un patrón, se imprima en 3D. Esto puede reducir los plazos de entrega de la fundición al evitar la creación de patrones. [3] Además de reemplazar los métodos más antiguos, los aditivos también pueden complementarlos en modelos híbridos, como la fabricación de una variedad de núcleos impresos con AM para una cavidad derivada de un patrón tradicional. [3]
Para controlar la estructura de solidificación del metal, es posible colocar placas metálicas, chillas , en el molde. El rápido enfriamiento local asociado formará una estructura de grano más fino y puede formar un metal algo más duro en estos lugares. En las piezas fundidas ferrosas, el efecto es similar al enfriamiento de metales en trabajos de forja . El diámetro interior del cilindro de un motor se endurece gracias a un núcleo refrigerante. En otros metales, se pueden utilizar enfriamientos para promover la solidificación direccional de la pieza fundida. Al controlar la forma en que se congela una pieza fundida, es posible evitar huecos internos o porosidad dentro de las piezas fundidas.
Los núcleos son aparatos que se utilizan para generar cavidades huecas o características internas que no se pueden formar usando solo un patrón en el moldeo; los núcleos generalmente se fabrican con arena, pero algunos procesos también utilizan núcleos permanentes hechos de metal.
Para producir cavidades dentro de la fundición, como para la refrigeración líquida en bloques de motores y culatas de cilindros , se utilizan formas negativas para producir núcleos . Los núcleos, generalmente moldeados en arena, se insertan en la caja de fundición después de retirar el patrón. Siempre que es posible, se realizan diseños que evitan el uso de núcleos, debido al tiempo adicional de preparación, la masa y, por tanto, el mayor coste.
Con un molde terminado con el contenido de humedad adecuado, la caja que contiene el molde de arena se coloca para llenarla con metal fundido, generalmente hierro , acero , bronce , latón , aluminio , aleaciones de magnesio o varias aleaciones de metales , que a menudo incluyen plomo . estaño y zinc . Después de llenarla con metal líquido, la caja se deja a un lado hasta que el metal esté lo suficientemente frío como para ser fuerte. Luego se retira la arena, lo que revela una pieza fundida rugosa que, en el caso del hierro o el acero, aún puede brillar de color rojo. En el caso de metales que son significativamente más pesados que la arena de fundición, como el hierro o el plomo, el recipiente de fundición a menudo se cubre con una placa pesada para evitar un problema conocido como flotación del molde. La flotación del molde se produce cuando la presión del metal deforma la arena sobre la cavidad del molde, lo que provoca que la fundición falle.
Después de la fundición, los núcleos se rompen con varillas o perdigones y se retiran de la fundición. El metal del bebedero y de las mazarotas se corta de la pieza fundida en bruto. Se pueden aplicar varios tratamientos térmicos para aliviar las tensiones del enfriamiento inicial y agregar dureza (en el caso del acero o el hierro, enfriándolo en agua o aceite). La pieza fundida puede reforzarse aún más mediante un tratamiento de compresión superficial, como el granallado , que añade resistencia al agrietamiento por tracción y suaviza la superficie rugosa. Y cuando se requiere alta precisión, se realizan diversas operaciones de mecanizado (como fresado o taladrado) para terminar áreas críticas de la pieza fundida. Ejemplos de esto incluirían el taladrado de cilindros y el fresado de la plataforma en un bloque de motor de fundición.
La pieza a fabricar y su patrón deben diseñarse para adaptarse a cada etapa del proceso, ya que debe ser posible quitar el patrón sin alterar la arena de moldeo y tener ubicaciones adecuadas para recibir y posicionar los núcleos. Se debe utilizar una ligera inclinación, conocida como calado , en superficies perpendiculares a la línea de separación, para poder retirar el patrón del molde. Este requisito también se aplica a los núcleos, ya que deben retirarse de la caja de núcleos en la que están formados. El bebedero y las mazarotas deben estar dispuestos de manera que permitan un flujo adecuado de metal y gases dentro del molde para evitar una fundición incompleta. Si un trozo de núcleo o molde se desprende, puede quedar incrustado en la pieza final, formando un pozo de arena , lo que puede inutilizar la pieza. Las bolsas de gas pueden causar huecos internos. Estos pueden ser inmediatamente visibles o pueden revelarse sólo después de que se haya realizado un mecanizado exhaustivo. Para aplicaciones críticas, o cuando el costo del esfuerzo desperdiciado es un factor, se pueden aplicar métodos de prueba no destructivos antes de realizar más trabajos.
En general, podemos distinguir entre dos métodos de fundición en arena; el primero con arena verde y el segundo con el método de fraguado por aire .
Estas piezas fundidas se fabrican utilizando moldes de arena formados a partir de arena "húmeda" que contiene agua y compuestos aglutinantes orgánicos, normalmente denominados arcilla. El nombre "arena verde" proviene del hecho de que el molde de arena no está "fraguado", todavía está en estado "verde" o sin curar incluso cuando el metal se vierte en el molde. La arena verde no es de color verde, sino "verde" en el sentido de que se utiliza en estado húmedo (similar a la madera verde). Al contrario de lo que sugiere el nombre , la "arena verde" no es un tipo de arena en sí misma (es decir, no arena verde en el sentido geológico), sino que es más bien una mezcla de:
Hay muchas recetas para la proporción de arcilla, pero todas logran diferentes equilibrios entre moldeabilidad, acabado superficial y capacidad del metal fundido caliente para desgasificarse . El carbón, normalmente denominado en las fundiciones como carbón marino , que está presente en una proporción inferior al 5%, se quema parcialmente en presencia del metal fundido, lo que provoca la liberación de vapores orgánicos. La fundición en arena verde para metales no ferrosos no utiliza aditivos de carbón, ya que el CO generado no previene la oxidación. La arena verde para aluminio suele utilizar arena de olivino (una mezcla de los minerales forsterita y fayalita , que se obtiene triturando roca de dunita ).
La elección de la arena tiene mucho que ver con la temperatura a la que se vierte el metal. A las temperaturas a las que se vierten el cobre y el hierro, la arcilla se inactiva con el calor, de modo que la montmorillonita se convierte en illita , que es una arcilla no expansible. La mayoría de las fundiciones no cuentan con el equipo muy costoso para eliminar la arcilla quemada y sustituirla por arcilla nueva, por lo que las que vierten hierro suelen trabajar con arena de sílice, que es económica en comparación con otras arenas. A medida que se quema la arcilla, se agrega arena recién mezclada y parte de la arena vieja se descarta o se recicla para otros usos. La sílice es la menos deseable de las arenas, ya que los granos metamórficos de arena de sílice tienen tendencia a explotar para formar partículas de tamaño submicrónico cuando se les aplica un choque térmico durante el vertido de los moldes. Estas partículas entran en el aire del área de trabajo y pueden provocar silicosis en los trabajadores. Las fundiciones de hierro dedican un esfuerzo considerable a la recolección agresiva de polvo para capturar esta sílice fina. En las fundiciones también se utilizan varios tipos de equipos de protección respiratoria. [4] [5]
La arena también tiene la inestabilidad dimensional asociada con la conversión de cuarzo de cuarzo alfa a cuarzo beta a 680 °C (1250 °F). A menudo, se añaden aditivos combustibles, como harina de madera, para crear espacios para que los granos se expandan sin deformar el molde. Se utilizan por tanto olivino , cromita , etc. porque no tienen una transición de fase que provoque una rápida expansión de los granos. La olivina y la cromita también ofrecen una mayor densidad, lo que enfría el metal más rápido, produciendo así estructuras de grano más finas en el metal. Como no son minerales metamórficos , no tienen los policristales que se encuentran en la sílice y, por lo tanto, no forman partículas peligrosas de tamaño submicrónico.
El método de fraguado por aire utiliza arena seca unida con materiales distintos a la arcilla, utilizando un adhesivo de curado rápido . Este último también puede denominarse fundición en molde sin horneado . Cuando se utilizan, se denominan colectivamente piezas fundidas en arena "fraguadas por aire" para distinguirlas de las piezas fundidas de "arena verde". Dos tipos de arena para moldeo son la aglomerada natural (arena de banco) y la sintética (arena de lago); Generalmente se prefiere este último debido a su composición más consistente.
Con ambos métodos, la mezcla de arena se empaqueta alrededor de un patrón , formando una cavidad de molde. Si es necesario, se coloca un tapón temporal en la arena y tocando el patrón para luego formar un canal en el que se puede verter el líquido de fundición. Los moldes de aire se forman a menudo con la ayuda de un matraz de fundición que tiene una parte superior e inferior, denominada cubierta y arrastre . La mezcla de arena se apisona a medida que se agrega alrededor del patrón y, a veces, el conjunto final del molde se hace vibrar para compactar la arena y llenar los huecos no deseados en el molde. Luego se retira el patrón junto con el tapón del canal, dejando la cavidad del molde. Luego, el líquido de fundición (normalmente metal fundido) se vierte en la cavidad del molde. Una vez que el metal se ha solidificado y enfriado, la pieza fundida se separa del molde de arena. Por lo general, no hay agente desmoldeante y el molde generalmente se destruye en el proceso de remoción. [6]
La precisión de la fundición está limitada por el tipo de arena y el proceso de moldeo. Las piezas fundidas de arena hechas de arena verde gruesa imparten una textura rugosa a la superficie, lo que las hace fáciles de identificar. Las piezas fundidas hechas de arena verde fina pueden brillar como fundición, pero están limitadas por la proporción de profundidad y ancho de las cavidades en el patrón. Los moldes de aire pueden producir piezas fundidas con superficies más lisas que la arena verde gruesa, pero este método se elige principalmente cuando se necesitan cavidades profundas y estrechas en el patrón, debido al coste del plástico utilizado en el proceso. Las piezas fundidas fraguadas con aire generalmente se pueden identificar fácilmente por el color quemado de la superficie. Las piezas fundidas generalmente se granallan para eliminar el color quemado. Las superficies también se pueden esmerilar y pulir posteriormente, por ejemplo al hacer una campana grande . Después del moldeo, la pieza fundida se cubre con un residuo de óxidos, silicatos y otros compuestos. Este residuo se puede eliminar mediante diversos medios, como esmerilado o granallado.
Durante la fundición, algunos de los componentes de la mezcla de arena se pierden en el proceso de fundición térmica. La arena verde se puede reutilizar después de ajustar su composición para reponer la humedad y los aditivos perdidos. El patrón en sí se puede reutilizar indefinidamente para producir nuevos moldes de arena. El proceso de moldeado en arena se ha utilizado durante muchos siglos para producir piezas fundidas manualmente. Desde 1950 se han desarrollado procesos de fundición parcialmente automatizados para líneas de producción.
Cold Box utiliza aglutinantes orgánicos e inorgánicos que fortalecen el molde al adherirse químicamente a la arena. Este tipo de molde recibe su nombre porque no se hornea en un horno como otros tipos de moldes de arena. Este tipo de molde tiene dimensiones más precisas que los moldes de arena verde, pero es más caro. Por tanto, se utiliza sólo en aplicaciones que lo requieren.
Los moldes sin hornear son moldes de arena prescindibles, similares a los moldes de arena típicos, excepto que también contienen una resina líquida de fraguado rápido y un catalizador. En lugar de apisonar, la arena de moldeo se vierte en el matraz y se mantiene hasta que la resina se solidifica, lo que ocurre a temperatura ambiente. Este tipo de moldura también produce un mejor acabado superficial que otros tipos de moldes de arena. [7] Debido a que no hay calor involucrado, se le llama proceso de fraguado en frío. Los materiales comunes para matraces que se utilizan son madera, metal y plástico. Los metales comunes fundidos en moldes sin horneado son aleaciones de latón, hierro ( ferroso ) y aluminio.
El moldeo al vacío ( proceso V ) es una variación del proceso de fundición en arena para la mayoría de los metales ferrosos y no ferrosos, [8] en el que la arena no adherida se mantiene en el matraz con vacío . El patrón está especialmente ventilado para que se pueda pasar el vacío a través de él. Se coloca una lámina delgada ablandada por calor (0,003 a 0,008 pulgadas (0,076 a 0,203 mm)) de película plástica sobre el patrón y se crea un vacío (200 a 400 mmHg (27 a 53 kPa)). Se coloca un matraz especial de formación de vacío sobre el patrón de plástico y se llena con arena que fluye libremente. La arena se hace vibrar para compactarla y se forman un bebedero y una copa de vertido en la cubierta. Se coloca otra lámina de plástico sobre la parte superior de la arena en el matraz y se hace vacío a través del matraz especial; esto endurece y fortalece la arena suelta. Luego se libera el vacío sobre el patrón y se retira la capa. El arrastre se realiza de la misma forma (sin bebedero ni vaso vertedor). Se colocan los núcleos en su lugar y se cierra el molde. El metal fundido se vierte mientras la capa y el arrastre todavía están bajo vacío, porque el plástico se vaporiza pero el vacío mantiene la forma de la arena mientras el metal se solidifica. Cuando el metal se ha solidificado, se corta el vacío y la arena sale libremente, liberando la pieza fundida. [9] [10]
El proceso en V es conocido por no requerir tiro porque la película plástica tiene un cierto grado de lubricidad y se expande ligeramente cuando se hace el vacío en el matraz. El proceso tiene una alta precisión dimensional, con una tolerancia de ±0,010 pulgadas para la primera pulgada y ±0,002 pulgadas/pulgada a partir de entonces. Son posibles secciones transversales tan pequeñas como 0,090 pulgadas (2,3 mm). El acabado superficial es muy bueno, normalmente entre 150 y 125 rms . Otras ventajas incluyen la ausencia de defectos relacionados con la humedad, la ausencia de costos por aglutinantes, una excelente permeabilidad a la arena y la ausencia de vapores tóxicos al quemar los aglutinantes. Finalmente, el patrón no se desgasta porque la arena no lo toca. La principal desventaja es que el proceso es más lento que el de la fundición en arena tradicional, por lo que sólo es adecuado para volúmenes de producción bajos a medios; aproximadamente de 10 a 15.000 piezas al año. Sin embargo, esto lo hace perfecto para trabajos de prototipo, porque el patrón se puede modificar fácilmente ya que está hecho de plástico. [9] [10] [11]
Con el rápido desarrollo de la industria automovilística y de construcción de maquinaria, los sectores consumidores de fundición exigían una productividad cada vez mayor . Las etapas básicas del proceso de moldeado y fundición mecánico son similares a las descritas en el proceso de fundición manual en arena. Sin embargo, el desarrollo técnico y mental fue tan rápido y profundo que el carácter del proceso de fundición en arena cambió radicalmente.
Las primeras líneas de moldeo mecanizado consistían en lanzadores de arena y/o dispositivos de compresión que compactaban la arena en los matraces. La manipulación posterior del molde fue mecánica mediante grúas, polipastos y correas. Después del ajuste del núcleo, las coronas y los frenos se acoplaron utilizando pasadores guía y se sujetaron para mayor precisión. Los moldes se retiraban manualmente sobre un transportador de rodillos para su fundición y enfriamiento.
Los crecientes requisitos de calidad hicieron necesario aumentar la estabilidad del molde aplicando una presión de compresión cada vez mayor y métodos modernos de compactación de la arena en los matraces. A principios de los años cincuenta se desarrolló y aplicó el moldeo por alta presión en líneas de matraces mecánicas y más tarde automáticas. Las primeras líneas utilizaban sacudidas y vibraciones para precompactar la arena en los matraces y pistones accionados por aire comprimido para compactar los moldes.
En las primeras líneas automáticas de matraces horizontales, la arena se lanzaba o se lanzaba sobre el patrón en un matraz y se exprimió con una presión hidráulica de hasta 140 bares . El manejo posterior del molde, incluido el volteo, el ensamblaje y la extracción en un transportador, se realizó de forma manual o automática. A finales de los años cincuenta se utilizaban pistones hidráulicos o sistemas multipistón para compactar la arena en los matraces. Este método produjo moldes mucho más estables y precisos de lo que era posible de forma manual o neumática . A finales de los años sesenta se desarrolló la compactación del molde mediante rápida presión de aire o caída de presión de gas sobre el molde de arena precompactado (impulso de arena e impacto de gas). El principio de funcionamiento general de la mayoría de los sistemas de línea de matraces horizontales se muestra en el siguiente esquema.
Hoy en día existen muchos fabricantes de líneas automáticas de moldeo por matraces horizontales. Las principales desventajas de estos sistemas son el alto consumo de repuestos debido a la multitud de piezas móviles, la necesidad de almacenar, transportar y mantener los matraces y la productividad limitada a aproximadamente 90-120 moldes por hora.
En 1962, Dansk Industri Syndikat A/S (DISA- DISAMATIC ) inventó un proceso de moldeo sin matraz mediante el uso de moldes vertidos y divididos verticalmente. La primera línea podría producir hasta 240 moldes de arena completos por hora. Hoy en día, las líneas de moldeo pueden alcanzar una velocidad de moldeo de 550 moldes de arena por hora y solo requieren un operador de monitoreo. La discrepancia máxima entre dos mitades del molde es de 0,1 mm (0,0039 pulg.). Aunque son muy rápidos, las fundiciones no suelen utilizar moldes con separación vertical debido a las herramientas especializadas necesarias para funcionar en estas máquinas. Los núcleos deben colocarse con una máscara de núcleos en lugar de hacerlo a mano y deben colgarse en el molde en lugar de colocarse en la superficie de separación.
El principio de la placa de coincidencia, es decir, placas patrón con dos patrones a cada lado de la misma placa, fue desarrollado y patentado en 1910, fomentando las perspectivas de futuras mejoras en el moldeado de arena. Sin embargo, a principios de los años sesenta, la empresa estadounidense Hunter Automated Machinery Corporation lanzó su primera línea de moldeo horizontal automática sin mufla aplicando la tecnología Matchplate.
El método, similar al moldeado vertical de DISA (DISAMATIC), es sin mufla, pero sí horizontal. La tecnología de moldeo con placa de coincidencia se utiliza ampliamente en la actualidad. Su gran ventaja es el bajo costo de las herramientas, la facilidad de cambiar las herramientas de moldeo y, por lo tanto, la idoneidad para fabricar piezas fundidas en series cortas, tan típicas de las fundiciones. La moderna máquina de moldeo con placa emparejada es capaz de lograr una alta calidad de moldeo, menos cambios de fundición debido a desajustes entre la máquina y el molde (en algunos casos, menos de 0,15 mm (0,0059 pulgadas)), moldes consistentemente estables para menos molienda y una mejor definición de la línea de separación. Además, las máquinas están cerradas para ofrecer un entorno de trabajo más limpio y silencioso con una menor exposición del operador a riesgos de seguridad o problemas relacionados con el servicio.
Con la fabricación automatizada de moldes surgieron requisitos adicionales de seguridad en el lugar de trabajo. Se aplican diferentes normas técnicas voluntarias dependiendo de la jurisdicción geopolítica donde se utilizará la maquinaria.
Canadá no tiene una norma técnica voluntaria específica para la maquinaria de fabricación de moldes de arena. Este tipo de maquinaria está amparada por:
Salvaguardia de maquinaria, CSA Z432. Asociación Canadiense de Normas. 2016.
Además, los requisitos de seguridad eléctrica están cubiertos por:
Maquinaria Eléctrica Industrial, CSA C22.2 No. 301. 2016.
El estándar principal para los equipos de fabricación de moldes de arena en la UE es: Requisitos de seguridad para máquinas de moldeo por fundición y fabricación de núcleos y equipos asociados a plantas, EN 710. Comité Europeo de Normalización (CEN).
Será necesario utilizar EN 710 junto con EN 60204-1 para seguridad eléctrica y EN ISO 13849-1 y EN ISO 13849-2 o EN 62061 para seguridad funcional. También pueden ser necesarias normas tipo C adicionales para transportadores, robótica u otros equipos que puedan ser necesarios para respaldar el funcionamiento del equipo de fabricación de moldes.
No existe una norma específica para los equipos de fabricación de moldes de arena. La familia de normas ANSI B11 incluye algunas normas genéricas para máquinas herramienta que podrían aplicarse a este tipo de maquinaria, entre ellas:
Hay cuatro componentes principales para fabricar un molde de fundición en arena: arena base , un aglutinante , aditivos y un compuesto de separación .
Las arenas de moldeo , también conocidas como arenas de fundición , se definen por ocho características: refractariedad, inercia química, permeabilidad, acabado superficial, cohesividad, fluidez, colapsabilidad y disponibilidad/costo. [13]
Refractariedad : se refiere a la capacidad de la arena para resistir la temperatura del metal líquido que se va a fundir sin descomponerse. Por ejemplo, algunas arenas solo necesitan soportar 650 °C (1202 °F) si se funden aleaciones de aluminio, mientras que el acero necesita una arena que resista 1500 °C (2730 °F). La arena con una refractariedad demasiado baja se derretirá y se fusionará con la pieza fundida. [13]
Inercia química : la arena no debe reaccionar con el metal que se está fundiendo. Esto es especialmente importante con metales altamente reactivos, como el magnesio y el titanio . [13]
Permeabilidad : se refiere a la capacidad de la arena para expulsar gases. Esto es importante porque durante el proceso de vertido se producen muchos gases, como hidrógeno , nitrógeno , dióxido de carbono y vapor , que deben salir del molde, de lo contrario se producen defectos de fundición , como orificios de soplado y de gas, en la pieza fundida. Tenga en cuenta que por cada centímetro cúbico (cc) de agua que se agrega al molde se producen 1600 cc de vapor. [13]
Acabado superficial : el tamaño y la forma de las partículas de arena definen el mejor acabado superficial que se puede lograr; las partículas más finas producen un mejor acabado. Sin embargo, a medida que las partículas se vuelven más finas (y el acabado de la superficie mejora), la permeabilidad empeora. [13]
Cohesividad (o unión ): esta es la capacidad de la arena para conservar una forma determinada después de que se elimina el patrón. [14]
Fluidez : la capacidad de la arena de fluir hacia detalles intrincados y rincones estrechos sin procesos o equipos especiales. [15]
Colapso : Esta es la capacidad de la arena para desprenderse fácilmente de la pieza fundida después de que se haya solidificado. Las arenas con poca colapsabilidad se adherirán fuertemente a la pieza fundida. Al fundir metales que se contraen mucho durante el enfriamiento o con largos rangos de temperatura de congelación, una arena con poca colapsabilidad provocará grietas y desgarros calientes en la pieza fundida. Se pueden utilizar aditivos especiales para mejorar la colapsabilidad. [15]
Disponibilidad/costo : la disponibilidad y el costo de la arena son muy importantes porque por cada tonelada de metal vertida, se requieren de tres a seis toneladas de arena. [15] Aunque la arena se puede tamizar y reutilizar, las partículas eventualmente se vuelven demasiado finas y requieren un reemplazo periódico con arena fresca. [dieciséis]
En piezas fundidas grandes es económico utilizar dos arenas diferentes, porque la mayor parte de la arena no estará en contacto con la pieza fundida, por lo que no necesita propiedades especiales. La arena que está en contacto con la pieza fundida se llama arena de revestimiento , y está diseñada para la pieza fundida en mano. Esta arena se acumulará alrededor del patrón hasta un espesor de 30 a 100 mm (1,2 a 3,9 pulgadas). La arena que rellena alrededor de la arena de revestimiento se llama arena de respaldo . Esta arena es simplemente arena de sílice con sólo una pequeña cantidad de aglutinante y sin aditivos especiales. [17]
La arena base es el tipo que se utiliza para realizar el molde o núcleo sin ningún aglutinante. Debido a que no tiene aglutinante, no se unirá y no se puede utilizar en este estado. [15]
La arena de sílice (SiO 2 ) es la arena que se encuentra en una playa y también es la arena más utilizada. Se elabora triturando arenisca o se extrae de lugares naturales, como playas y lechos de ríos. El punto de fusión de la sílice pura es de 1.760 °C (3.200 °F), sin embargo las arenas utilizadas tienen un punto de fusión más bajo debido a las impurezas. Para piezas fundidas con puntos de fusión elevados, como aceros, se debe utilizar un mínimo de 98 % de arena de sílice pura; sin embargo, para metales con puntos de fusión más bajos, como hierro fundido y metales no ferrosos , se puede utilizar arena de menor pureza (entre 94 y 98 % de pureza). [15]
La arena de sílice es la arena más utilizada debido a su gran abundancia y, por tanto, su bajo coste (siendo ahí su mayor ventaja). Sus desventajas son una alta expansión térmica , que puede provocar defectos de fundición con metales con un punto de fusión alto, y una baja conductividad térmica , que puede provocar una fundición defectuosa. Tampoco se puede utilizar con ciertos metales básicos porque interactuará químicamente con el metal y formará defectos en la superficie. Finalmente, libera partículas de sílice durante el vertido, lo que pone en riesgo de silicosis a los trabajadores de la fundición. [18]
La olivina es una mezcla de ortosilicatos de hierro y magnesio del mineral dunita . Su principal ventaja es que está libre de sílice, por lo que se puede utilizar con metales básicos, como los aceros al manganeso. Otras ventajas incluyen una baja expansión térmica, una alta conductividad térmica y un alto punto de fusión. Finalmente, es más seguro de usar que la sílice, por lo que es popular en Europa. [18]
La arena de cromita es una solución sólida de espinelas . Sus ventajas son un bajo porcentaje de sílice, un punto de fusión muy alto (1.850 °C (3.360 °F)) y una conductividad térmica muy alta. Su desventaja es su coste, por lo que sólo se utiliza en fundiciones costosas de acero aleado y para fabricar núcleos. [18]
La arena de circonio es un compuesto de aproximadamente dos tercios de óxido de circonio (ZrO 2 ) y un tercio de sílice. Tiene el punto de fusión más alto de todas las arenas base a 2600 °C (4710 °F), una expansión térmica muy baja y una alta conductividad térmica. Debido a estas buenas propiedades, se utiliza comúnmente para fundir aceros aleados y otras aleaciones costosas. También se utiliza como lavado de moldes (un recubrimiento aplicado a la cavidad del moldeo) para mejorar el acabado de la superficie. Sin embargo, es caro y no está fácilmente disponible. [18]
La chamota se elabora calcinando arcilla refractaria (Al 2 O 3 -SiO 2 ) por encima de 1100 °C (2010 °F). Su punto de fusión es de 1.750 °C (3.180 °F) y tiene baja expansión térmica. Es la segunda arena más barata, aunque sigue siendo el doble de cara que la sílice. Sus desventajas son los granos muy gruesos, que dan como resultado un acabado superficial deficiente, y se limita al moldeo en arena seca. Los lavados de moldes se utilizan para superar los problemas de acabado superficial. Esta arena se utiliza normalmente para fundir grandes piezas de acero. [18] [19]
Los métodos modernos de producción de fundición pueden fabricar moldes delgados y precisos (de un material que superficialmente se parece al papel maché, como el que se usa en los cartones de huevos, pero que es de naturaleza refractaria) que luego se sostienen con algún medio, como arena seca rodeada por un caja, durante el proceso de fundición. Debido a la mayor precisión, es posible realizar piezas fundidas más delgadas y, por lo tanto, más livianas, porque no es necesario que haya metal adicional presente para permitir variaciones en los moldes. Estos métodos de fundición en molde fino se han utilizado desde la década de 1960 en la fabricación de bloques de motor y culatas de cilindros de hierro fundido para aplicaciones automotrices. [ cita necesaria ]
Se añaden aglutinantes a una base de arena para unir las partículas de arena (es decir, es el pegamento que mantiene unido el molde).
Una mezcla de arcilla y agua es el aglutinante más utilizado. Existen dos tipos de arcilla comúnmente utilizadas: la bentonita y la caolinita , siendo la primera la más común. [20]
Los aceites, como el aceite de linaza , otros aceites vegetales y aceites marinos , solían utilizarse como aglutinantes; sin embargo, debido a su coste cada vez mayor, se han ido eliminando en su mayor parte. El aceite también requirió una cocción cuidadosa a entre 100 y 200 °C (212 a 392 °F) para curar (si se sobrecalienta, el aceite se vuelve quebradizo, desperdiciando el molde). [21]
Los aglutinantes de resina son gomas naturales o sintéticas de alto punto de fusión . Los dos tipos comunes utilizados son las resinas de urea formaldehído (UF) y de fenol formaldehído (PF). Las resinas PF tienen una mayor resistencia al calor que las resinas UF y cuestan menos. También hay resinas fraguadas en frío, que utilizan un catalizador en lugar de calor para curar el aglutinante. Los aglutinantes de resina son bastante populares porque se pueden lograr diferentes propiedades mezclándolos con varios aditivos. Otras ventajas incluyen buena colapsabilidad, baja formación de gases y dejan un buen acabado superficial en la pieza fundida. [21]
MDI (diisocianato de metilendifenilo) también es una resina aglutinante comúnmente utilizada en el proceso de núcleos de fundición.
El vidrio soluble ( silicato de sodio [Na 2 SiO 3 o (Na 2 O)(SiO 2 )]) es un aglutinante de alta resistencia que se utiliza con arena de moldeo de sílice tanto para núcleos como para moldes. [22] : 69–70 Para curar una mezcla de arena finamente molida (por ejemplo, usando una trituradora de arena) y de 3 a 4% de silicato de sodio como aglutinante, se utiliza gas dióxido de carbono (CO 2 ). [22] : 69–70 La mezcla se expone al gas a temperatura ambiente reaccionando de la siguiente manera: [22] : 69–70
La ventaja de este aglutinante es que se puede utilizar a temperatura ambiente y es rápido. La desventaja es que su alta resistencia genera dificultades de extracción y posiblemente desgarros calientes (probablemente debido a la inversión del cuarzo [ cita requerida ] ) en la pieza fundida. [21] [22] : 70 La mezcla de silicato de sodio y arena también se puede calentar con una pistola de calor para lograr una mejor rigidez.
Se añaden aditivos a los componentes de moldeo para mejorar: acabado superficial, resistencia en seco, refractariedad y "propiedades de amortiguación".
Se puede agregar hasta un 5% de agentes reductores , como carbón en polvo, brea , creosota y fueloil , al material de moldeo para evitar que se humedezca (prevención de que el metal líquido se adhiera a las partículas de arena, dejándolas así en la superficie de la fundición). mejorar el acabado de la superficie, disminuir la penetración del metal y los defectos de quemado. Estos aditivos lo consiguen creando gases en la superficie de la cavidad del molde, que impiden que el metal líquido se adhiera a la arena. Los agentes reductores no se utilizan en la fundición de acero porque pueden carburizar el metal durante la fundición. [23]
Se puede agregar hasta un 3% de "material de amortiguación", como harina de madera, aserrín , cáscaras en polvo , turba y paja , para reducir los defectos de formación de costras , desgarros en caliente y grietas en caliente al fundir metales a alta temperatura. Estos materiales son beneficiosos porque el quemado cuando se vierte el metal crea pequeños huecos en el molde, lo que permite que las partículas de arena se expandan. También aumentan la colapsabilidad y reducen el tiempo de sacudida. [23]
Se puede utilizar hasta un 2% de aglutinantes de cereales , como dextrina , almidón , lejía de sulfito y melaza , para aumentar la resistencia en seco (la resistencia del molde después del curado) y mejorar el acabado de la superficie. Los aglutinantes de cereales también mejoran la colapsabilidad y reducen el tiempo de agitación porque se queman cuando se vierte el metal. La desventaja de los aglutinantes de cereales es que son caros. [23]
Se puede utilizar hasta un 2% de polvo de óxido de hierro para evitar el agrietamiento del molde y la penetración del metal, mejorando esencialmente la refractariedad. La harina de sílice (sílice fina) y la harina de circón también mejoran la refractariedad, especialmente en piezas fundidas ferrosas. La desventaja de estos aditivos es que reducen en gran medida la permeabilidad. [23]
Para sacar el patrón del molde, antes de la fundición, se aplica un compuesto de separación al patrón para facilitar su extracción. Pueden ser un líquido o un polvo fino (diámetros de partículas entre 75 y 150 micrómetros (0,0030 y 0,0059 pulgadas)). Los polvos comunes incluyen talco , grafito y sílice seca; Los líquidos comunes incluyen aceite mineral y soluciones de silicio a base de agua. Estos últimos se utilizan más comúnmente con patrones metálicos y de madera grandes. [24]
Los moldes de arcilla se utilizaron en la antigua China desde la dinastía Shang (c. 1600 a 1046 a. C.). El famoso ding Houmuwu (c. 1300 a. C.) se hizo con moldeo de arcilla.
El rey asirio Senaquerib (704–681 a. C.) fundió enormes bronces de hasta 30 toneladas y afirma haber sido el primero en utilizar moldes de arcilla en lugar del método de "cera perdida": [25]
Mientras que en tiempos pasados los reyes, mis antepasados, habían creado estatuas de bronce imitando formas reales para exhibirlas dentro de sus templos, pero en su método de trabajo habían agotado a todos los artesanos, por falta de habilidad y de comprensión de los principios que necesitaban. tanto aceite, cera y sebo para el trabajo que causaron escasez en sus propios países. Yo, Senaquerib, líder de todos los príncipes, conocedor de todo tipo de trabajo, recibí muchos consejos y pensé profundamente al realizar ese trabajo. Grandes columnas de bronce, leones colosales que caminaban, como ningún rey anterior había construido antes que yo, con la habilidad técnica que Ninushki llevó a la perfección en mí, y a instancias de mi inteligencia y el deseo de mi corazón inventé una técnica para bronce y lo hizo hábilmente. Creé moldes de arcilla como por inteligencia divina... doce feroces leones-colosos junto con doce poderosos toros-colosos que eran piezas fundidas perfectas... Vertí cobre en ellos una y otra vez; Hice las piezas fundidas con tanta habilidad como si sólo pesaran medio siclo cada una.
El método de moldeo por fundición en arena fue registrado por Vannoccio Biringuccio en su libro publicado alrededor de 1540.
En 1924, Ford Motor Company estableció un récord al producir 1 millón de automóviles, consumiendo en el proceso un tercio de la producción total de fundición en los EE. UU. A medida que crecía la industria del automóvil, crecía la necesidad de aumentar la eficiencia de la fundición. La creciente demanda de piezas fundidas en la creciente industria de construcción de automóviles y maquinaria durante y después de la Primera Guerra Mundial y la Segunda Guerra Mundial estimuló nuevos inventos en la mecanización y posterior automatización de la tecnología del proceso de fundición en arena.
No había un solo obstáculo para acelerar la producción de piezas fundidas, sino varios. Se realizaron mejoras en la velocidad de moldeo, la preparación de arena de moldeo, la mezcla de arena , los procesos de fabricación de núcleos y la lenta velocidad de fusión del metal en los hornos de cubilote . En 1912, la empresa estadounidense Beardsley & Piper inventó el lanzador de arena . En 1912, Simpson Company comercializó el primer mezclador de arena con arados giratorios montados individualmente. En 1915 comenzaron los primeros experimentos con arcilla bentonita en lugar de simple arcilla refractaria como aditivo aglutinante para la arena de moldeo. Esto aumentó enormemente la resistencia en verde y en seco de los moldes. En 1918 entró en producción la primera fundición totalmente automatizada para fabricar granadas de mano para el ejército estadounidense . En la década de 1930 se instaló en EE. UU. el primer horno eléctrico sin núcleo de alta frecuencia. En 1943, se inventó el hierro dúctil añadiendo magnesio al hierro gris, ampliamente utilizado . En 1940, se aplicó la recuperación térmica de arena para arenas de moldeo y núcleos. En 1952 se desarrolló el "proceso D" para fabricar moldes de conchas con arena fina previamente recubierta. En 1953 se inventó el proceso de arena para núcleos en caja caliente, en el que los núcleos se curan térmicamente. En 1954, apareció un nuevo aglutinante central: el vidrio soluble (silicato de sodio), endurecido con CO 2 del aire ambiente.
En la década de 2010, la fabricación aditiva comenzó a aplicarse a la preparación de moldes de arena en la producción comercial; En lugar de que el molde de arena se forme empaquetando arena alrededor de un patrón, se imprime en 3D.
