En la metalurgia y la fabricación de joyas, la fundición es un proceso en el que un metal líquido se introduce en un molde (normalmente mediante un crisol ) que contiene una impresión negativa (es decir, una imagen negativa tridimensional) de la forma deseada. El metal se vierte en el molde a través de un canal hueco llamado bebedero . Luego se enfrían el metal y el molde y se extrae la pieza metálica (la fundición ). La fundición se utiliza con mayor frecuencia para crear formas complejas que serían difíciles o antieconómicas de realizar con otros métodos. [1]
Los procesos de fundición se conocen desde hace miles de años y se han utilizado ampliamente para escultura (especialmente en bronce ), joyería en metales preciosos y armas y herramientas. Las piezas fundidas de alta ingeniería se encuentran en el 90 por ciento de los bienes duraderos, incluidos automóviles, camiones, equipos aeroespaciales, trenes, equipos de minería y construcción, pozos petroleros, electrodomésticos, tuberías, hidrantes, turbinas eólicas, plantas nucleares, dispositivos médicos , productos de defensa, juguetes y más. [2]
Las técnicas tradicionales incluyen la fundición a la cera perdida (que puede dividirse a su vez en fundición centrífuga y fundición de vertido directo asistida por vacío ), fundición en molde de yeso y fundición en arena .
El proceso de fundición moderno se subdivide en dos categorías principales: fundición fungible y no fungible. Se descompone aún más mediante el material del molde, como arena o metal, y el método de vertido, como gravedad, vacío o baja presión. [3]
La fundición con moldes desechables es una clasificación genérica que incluye molduras de arena, plástico, concha, yeso y revestimiento (técnica de cera perdida). Este método de fundición en molde implica el uso de moldes temporales y no reutilizables.
La fundición en arena es uno de los tipos de fundición más populares y simples y se ha utilizado durante siglos. La fundición en arena permite realizar lotes más pequeños que la fundición en molde permanente y a un costo muy razonable. Este método no solo permite a los fabricantes crear productos a bajo costo, sino que la fundición en arena tiene otros beneficios, como operaciones de tamaño muy pequeño. El proceso permite piezas fundidas lo suficientemente pequeñas que caben en la palma de la mano hasta aquellas lo suficientemente grandes como para la plataforma de un vagón de tren (una pieza fundida puede crear la plataforma completa para un vagón de tren). La fundición en arena también permite fundir la mayoría de los metales dependiendo del tipo de arena utilizada para los moldes. [4]
La fundición en arena requiere un tiempo de entrega de días, o incluso semanas a veces, para la producción a altas tasas de producción (1 a 20 piezas/hora de molde) y es insuperable para la producción de piezas grandes. La arena verde (húmeda), que es de color negro, casi no tiene límite de peso parcial, mientras que la arena seca tiene un límite práctico de masa parcial de 2300 a 2700 kg (5100 a 6000 lb). El peso mínimo de la pieza oscila entre 0,075 y 0,1 kg (0,17 y 0,22 lb). La arena se une mediante arcillas, aglutinantes químicos o aceites polimerizados (como el aceite de motor). La arena se puede reciclar muchas veces en la mayoría de las operaciones y requiere poco mantenimiento.
El moldeado de marga se ha utilizado para producir grandes objetos simétricos, como cañones y campanas de iglesia. La marga es una mezcla de arcilla y arena con paja o estiércol. Un modelo del producto se forma en un material friable (la camisa). El molde se forma alrededor de esta camisola cubriéndola con marga. Luego se hornea (se cuece) y se retira la camisola. Luego, el molde se coloca en posición vertical en un foso frente al horno para verter el metal fundido. Después se rompe el molde. Por tanto, los moldes sólo se pueden utilizar una vez, por lo que se prefieren otros métodos para la mayoría de los fines.
La fundición en yeso es similar a la fundición en arena, excepto que se utiliza yeso de París en lugar de arena como material de molde. Generalmente, el formulario tarda menos de una semana en prepararse, después de lo cual se logra una tasa de producción de 1 a 10 unidades/hora de molde, con artículos tan grandes como 45 kg (99 lb) y tan pequeños como 30 g (1 oz). con muy buen acabado superficial y tolerancias estrechas . [5] La fundición de yeso es una alternativa económica a otros procesos de moldeo para piezas complejas debido al bajo costo del yeso y su capacidad para producir piezas fundidas de forma casi neta . La mayor desventaja es que sólo se puede utilizar con materiales no ferrosos de bajo punto de fusión, como aluminio , cobre , magnesio y zinc . [6]
El moldeado en cáscara es similar a la fundición en arena, pero la cavidad de moldeo está formada por una "cáscara" de arena endurecida en lugar de un matraz lleno de arena. La arena utilizada es más fina que la arena para fundición y se mezcla con una resina para que el patrón pueda calentarla y endurecerla formando una capa alrededor del patrón. Debido a la resina y la arena más fina, proporciona un acabado superficial mucho más fino. El proceso se automatiza fácilmente y es más preciso que la fundición en arena. Los metales comunes que se funden incluyen aleaciones de hierro fundido , aluminio, magnesio y cobre. Este proceso es ideal para artículos complejos de tamaño pequeño a mediano.
La fundición a la cera perdida (conocida en el arte como fundición a la cera perdida ) es un proceso que se ha practicado durante miles de años, siendo el proceso de cera perdida una de las técnicas de formación de metales más antiguas que se conocen. Desde hace 5000 años, cuando la cera de abejas formaba el patrón, hasta las ceras de alta tecnología, los materiales refractarios y las aleaciones especializadas de hoy en día, las piezas fundidas garantizan que se produzcan componentes de alta calidad con los beneficios clave de precisión, repetibilidad, versatilidad e integridad.
La fundición a la cera perdida deriva su nombre del hecho de que el patrón está revestido o rodeado con un material refractario. Los patrones de cera requieren extremo cuidado porque no son lo suficientemente fuertes para soportar las fuerzas encontradas durante la fabricación del molde. Una ventaja de la fundición a la cera perdida es que la cera se puede reutilizar. [5]
El proceso es adecuado para la producción repetible de componentes con forma neta a partir de una variedad de metales diferentes y aleaciones de alto rendimiento. Aunque generalmente se utiliza para piezas fundidas pequeñas, este proceso se ha utilizado para producir marcos completos de puertas de aviones, con piezas fundidas de acero de hasta 300 kg y piezas fundidas de aluminio de hasta 30 kg. En comparación con otros procesos de fundición, como la fundición a presión o la fundición en arena , puede ser un proceso costoso. Sin embargo, los componentes que se pueden producir mediante fundición a la cera perdida pueden incorporar contornos intrincados y, en la mayoría de los casos, los componentes se funden cerca de su forma neta, por lo que requieren poco o ningún retrabajo una vez fundidos.
Un intermedio de yeso duradero se utiliza a menudo como escenario para la producción de una escultura de bronce o como guía para la creación de una piedra tallada. Con la terminación de un yeso, la obra es más duradera (si se almacena en el interior) que un original de arcilla que debe mantenerse húmedo para evitar grietas. Con el yeso de bajo costo disponible, el costoso trabajo de fundición de bronce o tallado en piedra puede posponerse hasta que se encuentre un mecenas, y como dicho trabajo se considera un proceso técnico, más que artístico, puede incluso posponerse más allá de la vida. del artista.
En el moldeo de residuos, se vierte un molde de yeso simple y delgado, reforzado con sisal o arpillera, sobre la mezcla de arcilla original. Cuando se cura, se retira de la arcilla húmeda, destruyendo incidentalmente los detalles finos en los cortes presentes en la arcilla, pero que ahora están capturados en el molde. El molde puede utilizarse posteriormente (pero sólo una vez) para moldear una imagen positiva de yeso, idéntica a la arcilla original. La superficie de este yeso se puede refinar aún más y se puede pintar y encerar para que parezca una fundición de bronce terminada.
Esta es una clase de procesos de fundición que utilizan materiales de patrón que se evaporan durante el vertido, lo que significa que no es necesario retirar el material del patrón del molde antes de la fundición. Los dos procesos principales son la fundición a espuma perdida y la fundición en molde completo.
La fundición de espuma perdida es un tipo de proceso de fundición de patrón por evaporación que es similar a la fundición a la cera perdida, excepto que se utiliza espuma para el patrón en lugar de cera. Este proceso aprovecha el bajo punto de ebullición de la espuma para simplificar el proceso de fundición a la cera perdida al eliminar la necesidad de derretir la cera del molde.
La fundición en molde completo es un proceso de fundición con patrón de evaporación que es una combinación de fundición en arena y fundición de espuma perdida . Utiliza un patrón de espuma de poliestireno expandido que luego se rodea de arena, de forma muy similar a la fundición en arena. Luego, el metal se vierte directamente en el molde, que vaporiza la espuma al entrar en contacto.
La fundición con moldes no fungibles se diferencia de los procesos fungibles en que no es necesario reformar el molde después de cada ciclo de producción. Esta técnica incluye al menos cuatro métodos diferentes: colada permanente, por matriz, centrífuga y continua. Esta forma de fundición también da como resultado una repetibilidad mejorada en las piezas producidas y ofrece resultados casi netos .
La fundición en molde permanente es un proceso de fundición de metal que emplea moldes reutilizables ("moldes permanentes"), generalmente hechos de metal . El proceso más común utiliza la gravedad para llenar el molde. Sin embargo, también se utiliza presión de gas o vacío . Una variación del proceso típico de fundición por gravedad, llamado fundición en masa , produce piezas fundidas huecas. Los metales de fundición comunes son las aleaciones de aluminio , magnesio y cobre . Otros materiales incluyen aleaciones de estaño , zinc y plomo , y el hierro y el acero también se funden en moldes de grafito . Los moldes permanentes, aunque duran más de una fundición, todavía tienen una vida limitada antes de desgastarse.
El proceso de fundición a presión fuerza el metal fundido bajo alta presión hacia las cavidades del molde (que se mecanizan para formar matrices). La mayoría de las piezas fundidas a presión están hechas de metales no ferrosos , específicamente aleaciones a base de zinc , cobre y aluminio, pero son posibles las piezas fundidas a presión con metales ferrosos . El método de fundición a presión es especialmente adecuado para aplicaciones en las que se necesitan muchas piezas de tamaño pequeño a mediano con buen detalle, una calidad superficial fina y consistencia dimensional.
La fundición de metal semisólido (SSM) es un proceso de fundición a presión modificado que reduce o elimina la porosidad residual presente en la mayoría de las piezas de fundición a presión. En lugar de utilizar metal líquido como material de alimentación, la fundición SSM utiliza un material de alimentación de mayor viscosidad que es parcialmente sólido y parcialmente líquido. Se utiliza una máquina de fundición a presión modificada para inyectar la suspensión semisólida en matrices de acero endurecido reutilizables. La alta viscosidad del metal semisólido, junto con el uso de condiciones controladas de llenado del troquel, garantiza que el metal semisólido llene el troquel de manera no turbulenta, de modo que se pueda eliminar esencialmente la porosidad dañina.
Utilizadas comercialmente principalmente para aleaciones de aluminio y magnesio, las piezas fundidas de SSM pueden tratarse térmicamente hasta alcanzar los estados T4, T5 o T6. La combinación de tratamiento térmico, velocidades de enfriamiento rápidas (por el uso de matrices de acero sin recubrimiento) y porosidad mínima proporciona excelentes combinaciones de resistencia y ductilidad. Otras ventajas de la fundición SSM incluyen la capacidad de producir piezas con formas complejas en forma neta, estanqueidad a la presión, tolerancias dimensionales estrictas y la capacidad de fundir paredes delgadas. [7]
En este proceso se vierte metal fundido en el molde y se deja solidificar mientras el molde gira. El metal se vierte en el centro del molde en su eje de rotación. Debido a la fuerza de inercia, el metal líquido es expulsado hacia la periferia.
La fundición centrífuga es independiente de la gravedad y la presión, ya que crea su propia alimentación forzada utilizando un molde de arena temporal mantenido en una cámara de hilado. El tiempo de entrega varía según la aplicación. El procesamiento semicentrífugo y verdaderamente centrífugo permite producir de 30 a 50 piezas de molde por hora, con un límite práctico para el procesamiento por lotes de aproximadamente 9000 kg de masa total con un límite típico por artículo de 2,3 a 4,5 kg.
Industrialmente, la fundición centrífuga [8] de ruedas de ferrocarril fue una de las primeras aplicaciones del método desarrollado por la empresa industrial alemana Krupp y esta capacidad permitió el rápido crecimiento de la empresa.
Pequeñas piezas de arte, como joyas, a menudo se funden mediante este método utilizando el proceso de cera perdida, ya que las fuerzas permiten que los metales líquidos bastante viscosos fluyan a través de pasajes muy pequeños y hacia detalles finos como hojas y pétalos. Este efecto es similar a los beneficios de la fundición al vacío, que también se aplica a la fundición de joyas.
La colada continua es un perfeccionamiento del proceso de fundición para la producción continua y en gran volumen de perfiles metálicos con una sección transversal constante. Se utiliza principalmente para producir productos semiacabados para su posterior procesamiento. [9] : 339 El metal fundido se vierte en un molde de extremo abierto enfriado por agua, lo que permite que se forme una "piel" de metal sólido sobre el centro aún líquido, solidificando gradualmente el metal de afuera hacia adentro. Después de la solidificación, la hebra, como a veces se la llama, se retira continuamente del molde. Se pueden cortar longitudes predeterminadas de la hebra mediante cizallas mecánicas o sopletes de oxiacetileno móviles y transferirlas a procesos de formación posteriores o a una pila de almacenamiento. Los tamaños de las piezas fundidas pueden variar desde tiras (de unos pocos milímetros de espesor por unos cinco metros de ancho) hasta palanquillas (de 90 a 160 mm cuadrados) y desbastes (1,25 m de ancho por 230 mm de espesor). En ocasiones, el cordón puede sufrir un proceso inicial de laminación en caliente antes de ser cortado.
La fundición continua se utiliza debido a los menores costos asociados con la producción continua de un producto estándar y también a la mayor calidad del producto final. Metales como el acero, el cobre, el aluminio y el plomo se funden en continuo, siendo el acero el metal con mayores tonelajes fundidos mediante este método.
El upcasting (upcasting, upstream o upcasting) es un método de colada continua vertical u horizontal de varillas y tubos de diversos perfiles (cilíndricos, cuadrados, hexagonales, losas, etc.) de 8 a 30 mm de diámetro. [10] Se suelen utilizar aleaciones de cobre (Cu), bronce ( aleación Cu· Sn ) y níquel debido a su mayor velocidad de fundición (en el caso de fundición vertical) y a las mejores características físicas obtenidas. La ventaja de este método es que los metales están casi libres de oxígeno y que la velocidad de cristalización (solidificación) del producto se puede ajustar en un cristalizador, un dispositivo resistente a altas temperaturas que enfría una varilla o tubería de metal en crecimiento mediante el uso de agua. [10]
El método es comparable al método de Czochralski para hacer crecer cristales de silicio (Si), que es un metaloide .
Los procesos de fundición de metales utilizan la siguiente terminología: [11]
Algunos procesos especializados, como la fundición a presión, utilizan terminología adicional.
La fundición es un proceso de solidificación , lo que significa que el fenómeno de solidificación controla la mayoría de las propiedades de la fundición. Además, la mayoría de los defectos de fundición ocurren durante la solidificación, como la porosidad del gas y la contracción por solidificación . [12]
La solidificación se produce en dos pasos: nucleación y crecimiento de cristales . En la etapa de nucleación, se forman partículas sólidas dentro del líquido. Cuando se forman estas partículas, su energía interna es menor que la del líquido circundante, lo que crea una interfaz energética entre las dos. La formación de la superficie en esta interfaz requiere energía, por lo que a medida que se produce la nucleación, el material en realidad se enfría insuficientemente (es decir, se enfría por debajo de su temperatura de solidificación) debido a la energía adicional necesaria para formar las superficies de la interfaz. Luego vuelve a calescencia, o se calienta nuevamente hasta su temperatura de solidificación, para la etapa de crecimiento del cristal. La nucleación ocurre en una superficie sólida preexistente porque no se requiere tanta energía para una superficie de interfaz parcial como para una superficie de interfaz esférica completa. Esto puede resultar ventajoso porque las piezas fundidas de grano fino poseen mejores propiedades que las piezas fundidas de grano grueso. Se puede inducir una estructura de grano fino mediante el refinamiento del grano o la inoculación , que es el proceso de agregar impurezas para inducir la nucleación. [13]
Todas las nucleaciones representan un cristal, que crece a medida que se extrae el calor de fusión del líquido hasta que no queda líquido. La dirección, tasa y tipo de crecimiento se pueden controlar para maximizar las propiedades de la pieza fundida. La solidificación direccional es cuando el material se solidifica en un extremo y procede a solidificarse en el otro extremo; este es el tipo de crecimiento de grano más ideal porque permite que el material líquido compense la contracción. [13]
Las curvas de enfriamiento son importantes para controlar la calidad de una pieza fundida. La parte más importante de la curva de enfriamiento es la velocidad de enfriamiento que afecta la microestructura y las propiedades. En términos generales, un área de la pieza fundida que se enfría rápidamente tendrá una estructura de grano fino y un área que se enfría lentamente tendrá una estructura de grano grueso. A continuación se muestra un ejemplo de curva de enfriamiento de un metal puro o una aleación eutéctica , con terminología definitoria. [14]
Tenga en cuenta que antes del paro térmico el material es líquido y después el material es sólido; Durante la detención térmica, el material se convierte de líquido a sólido. Además, tenga en cuenta que cuanto mayor sea el sobrecalentamiento, más tiempo tendrá el material líquido para fluir hacia detalles intrincados. [15]
La curva de enfriamiento anterior representa una situación básica con un metal puro; sin embargo, la mayoría de las piezas fundidas son de aleaciones, que tienen una curva de enfriamiento con la forma que se muestra a continuación.
Tenga en cuenta que ya no hay un paro térmico, sino un rango de congelación. El rango de congelación corresponde directamente al liquidus y solidus que se encuentran en el diagrama de fases de la aleación específica.
El tiempo de solidificación local se puede calcular utilizando la regla de Chvorinov, que es:
Donde t es el tiempo de solidificación, V es el volumen de la pieza fundida, A es el área de superficie de la pieza fundida que hace contacto con el molde , n es una constante y B es la constante del molde. Es muy útil para determinar si una mazarota se solidificará antes de la fundición, porque si la mazarota se solidifica primero entonces no tiene valor. [dieciséis]
El sistema de compuerta sirve para muchos propósitos, el más importante es transportar el material líquido al molde, pero también controlar la contracción, la velocidad del líquido, la turbulencia y atrapar la escoria . Las compuertas suelen estar unidas a la parte más gruesa de la pieza fundida para ayudar a controlar la contracción. En piezas fundidas especialmente grandes, es posible que se requieran múltiples compuertas o corredores para introducir metal en más de un punto de la cavidad del molde. La velocidad del material es importante porque si el material viaja demasiado lento puede enfriarse antes de llenarse por completo, lo que provoca errores de funcionamiento y cierres en frío. Si el material se mueve demasiado rápido, el material líquido puede erosionar el molde y contaminar la pieza final. La forma y longitud del sistema de compuerta también pueden controlar la rapidez con la que se enfría el material; Los canales cortos, redondos o cuadrados minimizan la pérdida de calor. [17]
El sistema de compuerta puede diseñarse para minimizar la turbulencia, dependiendo del material que se va a fundir. Por ejemplo, el acero, el hierro fundido y la mayoría de las aleaciones de cobre son insensibles a las turbulencias, pero las aleaciones de aluminio y magnesio son sensibles a las turbulencias. Los materiales insensibles a las turbulencias suelen tener un sistema de compuerta corto y abierto para llenar el molde lo más rápido posible. Sin embargo, para materiales sensibles a turbulencias se utilizan bebederos cortos para minimizar la distancia que debe caer el material al entrar en el molde. Se utilizan vasos de vertido rectangulares y bebederos cónicos para evitar la formación de un vórtice a medida que el material fluye hacia el molde; Estos vórtices tienden a aspirar gases y óxidos hacia el interior del molde. Se utiliza un pozo de bebedero grande para disipar la energía cinética del material líquido a medida que cae por el bebedero, disminuyendo la turbulencia. El estrangulador , que es el área de sección transversal más pequeña en el sistema de compuerta utilizado para controlar el flujo, se puede colocar cerca del bebedero para ralentizar y suavizar el flujo. Tenga en cuenta que en algunos moldes el estrangulador todavía está colocado en las puertas para facilitar la separación de la pieza, pero induce una turbulencia extrema. [18] Las compuertas generalmente están unidas a la parte inferior de la fundición para minimizar la turbulencia y las salpicaduras. [17]
El sistema de compuerta también puede diseñarse para atrapar escoria. Un método consiste en aprovechar el hecho de que parte de la escoria tiene una densidad menor que el material base, por lo que flota hasta la parte superior del sistema de compuerta. Por lo tanto, los corredores largos y planos con puertas que salen desde la parte inferior de los corredores pueden atrapar escoria en los corredores; tenga en cuenta que los canales largos y planos enfriarán el material más rápidamente que los canales redondos o cuadrados. Para materiales donde la escoria tiene una densidad similar a la del material base, como el aluminio, las extensiones de canal y los pozos de canal pueden ser ventajosos. Estos aprovechan el hecho de que la escoria generalmente se encuentra al comienzo del vertido, por lo tanto, el corredor se extiende más allá de la(s) última(s) puerta(s) y los contaminantes quedan contenidos en los pozos. También se pueden utilizar mallas o filtros para atrapar contaminantes. [18]
Es importante mantener pequeño el tamaño del sistema de compuerta, porque todo debe cortarse de la pieza fundida y volverse a fundir para poder reutilizarlo. La eficiencia oEl rendimiento de un sistema de fundición se puede calcular dividiendo el peso de la pieza fundida por el peso del metal vertido. Por lo tanto, cuanto mayor sea el número, más eficiente será el sistema de compuerta/huellas. [19]
Existen tres tipos de contracción: contracción del líquido , contracción por solidificación y contracción del patronista . La contracción del líquido rara vez es un problema porque fluye más material hacia el molde detrás de él. La contracción por solidificación se produce porque los metales son menos densos en estado líquido que en estado sólido, por lo que durante la solidificación la densidad del metal aumenta drásticamente. La contracción de Patternmaker se refiere a la contracción que se produce cuando el material se enfría desde la temperatura de solidificación hasta la temperatura ambiente, lo que se produce debido a la contracción térmica . [20]
La mayoría de los materiales se encogen a medida que se solidifican, pero, como muestra la tabla adyacente, algunos materiales no lo hacen, como el hierro fundido gris . Para los materiales que se encogen al solidificarse, el tipo de contracción depende de qué tan amplio sea el rango de congelación del material. Para materiales con un rango de congelación estrecho, menos de 50 °C (122 °F), [23] se forma una cavidad, conocida como tubería , en el centro de la pieza fundida, porque la capa exterior se congela primero y se solidifica progresivamente hacia el centro. . Los metales puros y eutécticos suelen tener intervalos de solidificación estrechos. Estos materiales tienden a formar una piel en moldes al aire libre, por lo que se les conoce como aleaciones formadoras de piel . [23] Para materiales con un amplio rango de congelación, superior a 110 °C (230 °F), [23] mucho más de la pieza fundida ocupa la zona blanda o fangosa (el rango de temperatura entre el solidus y el liquidus), lo que conduce a pequeñas bolsas de líquido atrapadas por todas partes y, en última instancia, a la porosidad. Estas piezas fundidas tienden a tener poca ductilidad , tenacidad y resistencia a la fatiga . Además, para que este tipo de materiales sean estancos a los fluidos, se requiere una operación secundaria para impregnar la pieza fundida con un metal o resina de punto de fusión más bajo. [21] [24]
Para los materiales que tienen rangos de solidificación estrechos, las tuberías se pueden superar diseñando la pieza fundida para promover la solidificación direccional, lo que significa que la pieza fundida se congela primero en el punto más alejado de la compuerta y luego se solidifica progresivamente hacia la compuerta. Esto permite que esté presente una alimentación continua de material líquido en el punto de solidificación para compensar la contracción. Tenga en cuenta que todavía hay un vacío de contracción donde se solidifica el material final, pero si se diseña correctamente, estará en el sistema de compuerta o en el elevador. [21]
Los elevadores, también conocidos como alimentadores , son la forma más común de proporcionar solidificación direccional. Suministra metal líquido a la pieza fundida en solidificación para compensar la contracción por solidificación. Para que un tubo ascendente funcione correctamente, debe solidificarse después de la fundición; de lo contrario, no podrá suministrar metal líquido para que se contraiga dentro de la fundición. Las bandas añaden costo a la fundición porque reducen el rendimiento de cada fundición; es decir, se pierde más metal como chatarra en cada pieza fundida. Otra forma de promover la solidificación direccional es agregando escalofríos al molde. Un frío es cualquier material que conduzca el calor fuera de la pieza fundida más rápidamente que el material utilizado para el moldeo. [25]
Las contrahuellas se clasifican según tres criterios. La primera es si el tubo ascendente está abierto a la atmósfera; si lo está, se denomina tubo ascendente abierto ; de lo contrario, se le conoce como tipo ciego . El segundo criterio es dónde está ubicada la contrahuella; si está ubicado en la pieza fundida, se le conoce como contrahuella superior y si está ubicado al lado de la pieza fundida, se le conoce como contrahuella lateral . Finalmente, si el elevador está ubicado en el sistema de compuerta de modo que se llene después de la cavidad de moldeo, se conoce como elevador vivo o elevador caliente , pero si el elevador se llena con materiales que ya han fluido a través de la cavidad de moldeo, se conoce como una contrahuella muerta o una contrahuella fría . [19]
Las ayudas para las contrahuellas son elementos que se utilizan para ayudar a las contrahuellas a crear solidificación direccional o reducir la cantidad de contrahuellas necesarias. Uno de estos elementos son los escalofríos que aceleran el enfriamiento en una determinada parte del molde. Hay dos tipos: escalofríos externos e internos. Los escalofríos externos son masas de material de alta capacidad calorífica y alta conductividad térmica que se colocan en un borde de la cavidad de moldeo. Los escalofríos internos son piezas del mismo metal que se está virtiendo, que se colocan dentro de la cavidad del molde y pasan a formar parte de la fundición. También se pueden instalar fundas aislantes y coberturas alrededor de la cavidad del tubo ascendente para retardar la solidificación del tubo ascendente. También se pueden instalar serpentines calentadores alrededor o encima de la cavidad del tubo ascendente para retardar la solidificación. [26]
La contracción después de la solidificación se puede solucionar utilizando un patrón de gran tamaño diseñado específicamente para la aleación utilizada.Reglas de contracción , oLas reglas de contracción se utilizan para sobredimensionar los patrones y compensar este tipo de contracción. [27]Estas reglas tienen un sobredimensionamiento de hasta un 2,5%, dependiendo del material que se esté fundiendo. [26] Se hace referencia a estos gobernantes principalmente por su cambio porcentual. Un patrón hecho para que coincida con una pieza existente se haría de la siguiente manera: primero, la pieza existente se mediría usando una regla estándar, luego, al construir el patrón, el creador del patrón usaría una regla de contracción, asegurando que la pieza fundida se contraiga a la pieza existente. tamaño correcto.
Tenga en cuenta que la contracción del creador de patrones no tiene en cuenta las transformaciones de cambio de fase. Por ejemplo, las reacciones eutécticas, las reacciones martensíticas y la grafitización pueden provocar expansiones o contracciones. [27]
La cavidad del molde de una pieza fundida no refleja las dimensiones exactas de la pieza terminada por varias razones. Estas modificaciones en la cavidad del molde se conocen como tolerancias y explican la contracción, el desfase, el mecanizado y la distorsión del patronista. En los procesos no fungibles, estos márgenes se imparten directamente al molde permanente, pero en los procesos con moldes desechables se imparten a los patrones, que luego forman la cavidad del molde. [27] Tenga en cuenta que para los moldes no fungibles se requiere un margen para el cambio dimensional del molde debido al calentamiento a las temperaturas de funcionamiento. [28]
Para superficies de la pieza fundida que sean perpendiculares a la línea de separación del molde se debe incluir un borrador. Esto es para que la pieza fundida pueda liberarse en procesos no fungibles o el patrón pueda liberarse del molde sin destruir el molde en procesos fungibles. El ángulo de desmoldeo requerido depende del tamaño y la forma de la característica, la profundidad de la cavidad del molde, cómo se retira la pieza o patrón del molde, el patrón o material de la pieza, el material del molde y el tipo de proceso. Por lo general, el borrador no es inferior al 1%. [27]
La sobremesa de mecanizado varía drásticamente de un proceso a otro. Las piezas fundidas en arena generalmente tienen un acabado superficial rugoso, por lo que necesitan una mayor tolerancia de mecanizado, mientras que la fundición a presión tiene un acabado superficial muy fino, que puede no necesitar ninguna tolerancia de mecanizado. Además, para empezar, el borrador puede proporcionar suficiente margen de mecanizado. [28]
El margen de deformación sólo es necesario para determinadas geometrías. Por ejemplo, las piezas fundidas en forma de U tenderán a distorsionarse con las patas extendidas hacia afuera, porque la base de la forma puede contraerse mientras las patas están constreñidas por el molde. Esto se puede superar diseñando la cavidad del molde para que, para empezar, incline la pata hacia adentro. Además, las secciones horizontales largas tienden a combarse en el medio si no se incorporan nervaduras, por lo que puede ser necesario un margen de distorsión. [28]
Los núcleos pueden usarse en procesos de moldes desechables para producir características internas. El núcleo puede ser de metal pero normalmente se realiza en arena.
Existen algunos métodos comunes para llenar la cavidad del molde: gravedad , baja presión , alta presión y vacío . [29]
El llenado al vacío, también conocido como llenado contra gravedad , es más eficiente en términos de metal que el vertido por gravedad 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 al vacío. También hay menos turbulencia, por lo que el sistema de compuerta se puede simplificar ya que no tiene que controlar la turbulencia. Además, debido a que el metal se extrae desde debajo de la parte superior de la piscina, el metal está libre de escoria y escoria, ya que son de menor densidad (más livianos) 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. [29] La primera máquina y proceso de fundición al vacío patentados datan de 1879. [30]
El llenado a baja presión utiliza de 5 a 15 psig (35 a 100 kPag) de presión de aire para forzar el metal líquido a subir por un tubo de alimentación hacia la cavidad del molde. Esto elimina la turbulencia que se encuentra en la fundición por gravedad y aumenta la densidad, la repetibilidad, las tolerancias y la uniformidad del grano. Una vez que la pieza fundida se ha solidificado, se libera la presión y el líquido restante regresa al crisol, lo que aumenta el rendimiento. [31]
El llenado inclinado , también conocido como fundición inclinada , es una técnica de llenado poco común en la que el crisol se une al sistema de compuerta y ambos se giran lentamente para que el metal entre en la cavidad del molde con poca turbulencia. El objetivo es reducir la porosidad y las inclusiones limitando la turbulencia. Para la mayoría de los usos, el llenado inclinado no es factible debido al siguiente problema inherente: si el sistema gira lo suficientemente lento como para no inducir turbulencias, el frente de la corriente de metal comienza a solidificarse, lo que resulta en errores de funcionamiento. Si el sistema gira más rápido, se induce turbulencia, lo que frustra el propósito. Durville de Francia fue el primero en intentar la fundición inclinada, en el siglo XIX. Intentó utilizarlo para reducir los defectos superficiales al fundir monedas de bronce al aluminio . [32]
La macroestructura del grano en los lingotes y en la mayoría de las piezas fundidas tiene tres regiones o zonas distintas: la zona fría, la zona columnar y la zona equiaxial. La siguiente imagen muestra estas zonas.
La zona de enfriamiento se llama así porque ocurre en las paredes del molde donde la pared enfría el material. Aquí es donde tiene lugar la fase de nucleación del proceso de solidificación. A medida que se elimina más calor, los granos crecen hacia el centro de la pieza fundida. Se trata de columnas delgadas y largas que son perpendiculares a la superficie de fundición, lo que no es deseable porque tiene propiedades anisotrópicas . Finalmente, en el centro, la zona equiaxial contiene cristales esféricos orientados aleatoriamente. Son deseables porque tienen propiedades isotrópicas . La creación de esta zona se puede promover mediante el uso de una temperatura de vertido baja, inclusiones de aleaciones o inoculantes. [dieciséis]
Los métodos de inspección comunes para piezas fundidas de acero son las pruebas de partículas magnéticas y las pruebas de líquidos penetrantes . [33] Los métodos de inspección comunes para piezas fundidas de aluminio son la radiografía , las pruebas ultrasónicas y las pruebas de líquidos penetrantes . [34]
Hay una serie de problemas que pueden surgir durante el proceso de fundición. Los principales tipos son: porosidad del gas , defectos de contracción , defectos del material del molde , defectos del metal vertido y defectos metalúrgicos .
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 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 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 Estados Unidos, 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 que permiten a las fundiciones obtener nuevos conocimientos sobre lo que sucede dentro del molde o matriz durante el proceso de fundición. [35]
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