PROCESO DE CONFORMACIÓN POR FUNDICIÓN.

1.    INTRODUCCIÓN

Uno de los procesos de manufactura más empleados en la industria es la fundición. En el cual la materia prima experimenta las transformaciones de fase (solido-liquido-solido), de modo que el metal fundido se encuentra en contacto directo con el aire, el oxígeno y otros gases del medio ambiente desde los hornos de fundición hasta las cavidades de los moldes donde solidifican.

2.    HISTORIA DE LA FUNDICIÓN

La fundición nace en la edad de cobre debido a la necesidad de desarrollar elementos para la supervivencia y para la guerra. Esta etapa es decisiva porque en ella se inicia un cambio importante en la metalurgia: esta se ve desarrollada por que los metales en uso se deforman fácilmente y por lo tanto se inician pruebas para generar herramientas que hicieron más fácil la vida del hombre.

Por consiguiente, se deja de lado el uso de la piedra como materia prima principal de herramientas. En esta búsqueda el hombre se vio en la necesidad de generar mezclas de metales o para dar diferentes formas a los metales.

Las primeras formas se dieron al finalizar la edad de piedra y al iniciar la edad de cobre dando paso al nacimiento de la metalurgia. Estas formas se dieron martillando las placas de cobre, este proceso recibió el nombre de forjado. Luego se buscó la fusión de metales en hornos rudimentarios para lograr temperaturas elevadas, y los moldes siempre fueron manufacturados en piedra blanda y en esta tallaron la cavidad de la pieza a fabricar.

Con el descubrimiento de esta fusión de metales para armas, utensilios, monedas, en algunas poblaciones se inició el proceso metalúrgico de fabricar objetos con aleaciones de cobre con estaño, aluminio, magnesio, manganeso, oro y plata. Al principio se usaron moldes abiertos y el vaciado del metal no necesitaba ningún canal de alimentación, pero con la tecnificación del proceso y con la producción de herramientas y armas cada vez más complejas se inventaron los moldes cerrados y con estos los canales de alimentación para su llenado.

3.    PROCESOS DE FUNDICIÓN

Los procesos de fundición se pueden clasificar según el tipo de molde que utilicen: moldes permanentes o moldes desechables.

Los procesos de molde desechable implican que para sacar la pieza fundida se debe destruir el molde que la contiene, haciendo de este un proceso con velocidades de producción bajas. Gran parte del tiempo de fabricación se destina a realizar el molde y el tiempo de fundición es relativamente bajo en comparación con el de moldeo.

En los procesos de fundición en molde permanente, el molde está fabricado en un material duro como el metal o la cerámica que permite usarlo repetidas veces; el poder reutilizar el molde permite que el tiempo de producción sea mas bajo que en los procesos de molde desechable.

4.   FUNDICIÓN EN MOLDES DESECHABLES

4.1            FUNDICIÓN EN ARENA

4.1.1     Generalidades

 El trabajar con arena permite trabajar metales con altos puntos de fundición como el acero y el níquel. El proceso general de la fundición en arena comienza con la fabricación del modelo de la pieza a fundir, luego este modelo se coloca entre la arena para generar una cavidad negativa y se ubican los sistemas de alimentación que guiaran el metal fundido hacia las cavidades del molde.

Una vez el metal se solidifica al interior de la cavidad, se destruye el molde y se extrae la pieza terminada; si se requiere se puede realizar el proceso de tratamiento térmico a la pieza fundida o realizar los procesos adicionales de acabados y controles necesarios.

El siguiente es un esquema que muestra de forma esquemática el proceso de fundición en arena:

4.1.2     Modelos para fundición en arena.

Los modelos para fundición en arena serán los encargados de generar la cavidad en la arena para posteriormente fundir el metal en ella. El tamaño de los modelos debe contemplar los valores de contracción del metal fundido y los excesos de material para procesos de maquinados posteriores.

La selección del material para el modelo dependerá de factores como: tamaño y forma de la fundición, precisión dimensional y la cantidad de ciclos que se quiera utilizar el modelo.

En la siguiente tabla se aprecian características de diferentes materiales para ser usados como modelos.

4.1.3       Clasificación de los Modelos para fundición en arena.

·       Modelos de una sola pieza.

También llamados modelos sólidos, tienen la misma forma que el producto y un extra de material para contrarrestar la contracción del material y los procesos de maquinados posteriores. Se utilizan para piezas simples y producción de bajas cantidades.

·       Modelos divididos.

Son modelos en dos piezas donde cada una de las piezas forman cada una de las mitades de la cavidad. El plano donde se parten las piezas del modelo coincide con el plano de partición del molde usado para la fundición. Se obtienen formas más complejas, menores tiempos para el moldeo y mayores cantidades de producción.

·       Placas Modelo.

Este procedimiento se utiliza para volúmenes de producción mayores. En este los modelos partidos se adhieren a una placa de acoplamiento; la placa cuenta con guías para lograr hacer coincidir las mitades que harán las cavidades en la arena.

En ocasiones las placas modelo cuentan con partes como los sistemas de vaciado, canales o mazarotas.

4.1.4     Arena.

Para los procesos de fundición en arena se utiliza arena de sílice (SiO2), debido a su economía y resistencia a altas temperaturas. Uno de los factores más importantes en la selección de la arena es el tamaño del grano. Los granos finos permiten un mejor a acabado superficial de la cavidad y así de la pieza; sin embargo, los granos finos reducen la permeabilidad del molde.

Para lograr una forma estable y mejorar la resistencia del molde la arena se mezcla de forma homogénea con bentonita la cual funciona como aglutinante. Durante el proceso se tamiza la arena, de tal forma que la arena mas fina es la que entra en contacto con el modelo y la arena mas gruesa da el cuerpo al molde y permite la salida de gases.

También se pueden agregar resinas o aglutinantes orgánicos o inorgánicos a la arena para darle mayor resistencia durante el proceso de fundición.

4.1.5     El molde.

Los componentes principales de un molde para fundición en arena son:

1)    El molde esta soportado por una caja de moldeo: existe un molde superior e inferior, y la unión entre las dos formas la línea de partición.

2)   El bebedero es el conducto que recibe el metal y lo lleva hacia el interior del molde; el extremo del bebedero tiene forma de cono para facilitar el proceso de verter el metal fundido.

3)    La mazarota es una cavidad que se llena de metal fundido y suministra el metal adicional necesario para contrarrestar el proceso de contracción durante la solidificación del metal.

4)    Los canales de llenado llevan el metal fundido desde la mazarota hasta la cavidad del molde.

5)    Los insertos hechos en arena que permiten generar cavidades huecas dentro de la pieza fundida reciben el nombre de corazones. En ocasiones requieren de sujetadores para permanecer en la posición adecuada durante el proceso de verter el metal líquido.

6)    Los respiraderos tienen como función permitir el flujo hacia el exterior del aíre y gases que se acumulan durante el proceso de fundición en el interior del molde. Permiten que se realice un buen proceso de llenado de la cavidad.

5.    FUNDICIÓN EN MOLDES PERMANENTES

Los moldes permanentes por lo generar se componen de dos mitades metálicas que al unirse generan la cavidad y todo el sistema de alimentación; estas dos mitades se fabrican maquinadas, lo cual garantiza muy buen acabado superficial y una alta precisión dimensional de los productos fundido. 

Al iniciar el proceso las dos mitades del molde se sujetan juntas y se precalientan para evitar el choque térmico entre el metal fundido y la cavidad del molde, esto también facilita el flujo del metal y la calidad de la fundición.  El molde inicia su enfriamiento mediante canales de refrigeración para poder proceder a extraer la pieza solidificada.  

Los metales típicos a fundir en moldes permanentes son las aleaciones de aluminios, magnesios y cobre. 

Se pueden clasificar los procesos en molde permanente partiendo de la presión que se utiliza para llenar la cavidad con el metal fundido.

5.1           Fundición en molde permanente por gravedad.

Este es el proceso más sencillo de fundición en molde permanente; en este el metal fundido se vierte dentro de la cavidad y solo se utiliza la fuerza de la gravedad para garantizar que toda la cavidad se llene del metal.

5.2           Fundición en molde permanente a baja presión.

En la fundición a baja presión el metal líquido fluye debido a una presión que se aplica desde abajo y lo obliga a llenar la cavidad del molde, una gran ventaja de este procedimiento es que el metal pasa directamente del crisol al molde sin estar expuesto al aire. Esto disminuye la porosidad producida por el gas y los defectos generados por la oxidación.

 

La presión necesaria es de aproximadamente 15 psi y esta se debe mantener hasta que el metal se solidifica en el interior de la cavidad.  

5.3           Fundición en molde permanente al vacío.

Este proceso es muy similar al proceso de fundición a baja presión. Se diferencia en que ahora en la cavidad del molde se genera vacío y la diferencia de presión entre la cavidad y crisol con metal fundido que se encuentra a presión atmosférica, obliga al metal a llenar la cavidad.

 

En comparación con el proceso de fundición a baja presión, este es más costoso debido a que generar vacío es más difícil que generar una baja presión.

Sus beneficios son que en la fundición se reduce la porosidad y la oxidación debidas al aire y mejora de esta forma la resistencia mecánica del producto.

5.4           Fundición en molde permanente a alta presión.

En este método también conocido como inyección en matriz o dado, el metal es forzado por un pistón a llenar el molde gracias a presiones de hasta                  100.000 psi; esta presión se debe mantener hasta que la pieza se solidifica y se puede retirar de la cavidad. Los moldes suelen recibir el nombre de dados. 

Existen dos tipos de procesos de inyección.

El primero llamado de cámara caliente en el cual el metal fundido es empujado por un pistón que lo conduce hasta el molde. El pistón o cámara de inyección está caliente manteniendo el metal fluido, gracias a que actúa dentro del crisol.    

En el segundo proceso de cámara fría la cámara de inyección no está caliente obligando a que las cantidades de metal a utilizar sea muy precisas para evitar solidificación dentro de la cámara.

Mediante estos procesos se pueden llegar a obtener hasta 300 inyecciones por hora para metales como el zinc.

6.    TIPOS DE HORNOS

Los hornos que se usan para fundir metales y sus aleaciones varían mucho en capacidad y diseño. Varían desde los pequeños hornos de crisol que contienen unos pocos kilogramos de metal a hornos de hogar abierto de hasta varios centenares de toneladas de capacidad del horno.

El tipo de horno usado para un proceso de fundición queda determinado por los siguientes factores:

·       Necesidades de fundir la aleación tan rápidamente como sea posible y elevarla a la temperatura de vaciado requerida. (Ahorro de energía y de tiempo).

·       La necesidad de mantener tanto la pureza de la carga, como precisión de su composición. (Control de calidad).

·       Producción requerida del horno. (Productividad y economía).

·       El costo de operación del horno. (Productividad y economía).

·       Interacción entre la carga el combustible y los productos de la combustión. (Eficiencia): 

§  La carga se encuentra entre el combustible y los productos de la combustión. (Hornos cubilote). 

§  La carga está aislada del combustible, pero en contacto con los productos de la combustión. (Horno hogar abierto para la fabricación de acero). 

§  La carga está aislada tanto del combustible como de los productos de la combustión. (hornos de crisol calentado por combustión de gas, carbón pulverizado o petróleo). 

6.1           Hornos de crisol.

Los hornos de crisol trabajan por combustión de un elemento como el gas el cual calienta el crisol que contiene el material a fundir. También puede ser calentado usando energía electica: horno de inducción. 

El crisol se apoya sobre la peana que está hecha también en material refractario y le da la posición necesaria con respecto a la salida del gas. 

Para lograr concentrar el calor alrededor del crisol este esté contenido entre unas paredes refractarias que generan una cavidad para el flujo de los gases de combustión.  

Existen hornos con crisol móvil o con crisol fijo. La diferencia entre estos es que el crisol móvil al fundir el metal se levanta y sirve como cuchara de colada. Los hornos de crisol fijo se deben cucharear para realizar la fundición.

6.2           Hornos eléctricos.

El tipo más sencillo de horno eléctrico es el horno de resistencia, en el que se genera calor haciendo pasar una corriente eléctrica por un elemento resistivo que rodea las paredes internas del horno.  

El elemento calefactor puede adoptar la forma de una bobina de alambre enrollada alrededor de un tubo de material refractario o puede consistir en un tubo de metal u otro material resistivo, como el carborundo.  

Los hornos de resistencia son especialmente útiles en aplicaciones en las que se necesita un horno pequeño cuya temperatura pueda controlarse de forma precisa. 

7.    DEFECTOS DEL PROCESO DE FUNDICIÓN

Durante el proceso de fundición se pueden presentar varios defectos que pueden ser originados por causas como un mal diseño de las piezas, la mala selección de los materiales o deficiencias de los procesos de fundición. 

El que una pieza presente defectos no solo afectara su forma o apariencia. Algunos defectos podrían llegar a afectar la estructura mecánica de la pieza y generar puntos débiles o concentradores de esfuerzos. 

Actualmente existen diversos procesos para realizar la inspección a los productos fundidos. Al inspeccionar, visualmente o con tintas penetrantes se pueden detectar defectos superficiales en los productos. 

Al realizar pruebas destructivas se escogen muestras de un lote de producción y se realizan ensayos que permiten determinar la presencia y localización de cavidades u otros defectos internos. 

Las pruebas no destructivas como la inspección con partículas ferromagnéticas, ultrasonido o radiografía son ideales para la inspección de piezas, sin necesidad de alterar las mismas. 

Algunos defectos de fundición son comunes a todos los procesos de fundición.

A continuación, se mencionan los más usuales:

1.     Proyecciones metálicas: Formadas por aletas, rebabas o proyecciones masivas como ondulaciones o superficies ásperas.

2.     Cavidades: Cavidades redondeadas o ásperas internas o externas, incluyendo rechupes, sopladuras, porosidades y cavidades de contracción.

3.     Discontinuidades: Estas están formadas por todo tipo de grietas y puntos fríos. Las grietas se forman cuando durante el enfriamiento el metal no puede realizar una libre contracción. El punto frio es una discontinuidad que se presenta debido a la unión de dos corrientes de metal líquido, cercanas al punto de solidificación.

4.     Superficie defectuosa: Defectos tales como los pliegues, traslapes, cicatrices, capas de arena adherida o cascarillas de óxido.

5.     Fundición incompleta: Son debidas a fallas de llenado, volumen insuficiente de metal vaciado y fugas. Se pueden deber a temperaturas muy bajas del metal fundido o tiempos muy largos de vaciado.

6.     Dimensiones o formas incorrectas: Se pueden presentar por una inadecuada tolerancia de contracción, un error en el montaje del modelo o una deformación por liberación de esfuerzos residuales de la pieza fundida.

 Inclusiones: Estas inclusiones principalmente de material no metálico actúan como concentradores de esfuerzos y reducen la resistencia de la fundición. Se pueden dar por reacción del metal fundido con el entorno (oxidación), con el material del crisol (cerámicas) o el molde (arena) o con otros materiales extraños atrapados en el metal fundido (escoria).

Al referirse específicamente a la fundición en arena los principales defectos que se presentan durante el proceso son:

1.     Sopladuras: Cuando se forma una cavidad causada por gases atrapados, la baja permeabilidad o el alto contenido de humedad en la arena son las causas más probables.

 . Puntos de alfiler: Es un defecto similar a la sopladura que forma muchas pequeñas cavidades en la superficie o ligeramente por debajo de ella, causado por gas retenido en el metal fundido.

. Caídas de arena: Provoca una irregularidad en la superficie de la pieza y resulta por la erosión del molde de arena durante el proceso de vaciado.

 .Costras: Son áreas rugosas en la superficie de la fundición debidas a la incrustación de arena y metal.

   Corrimiento del molde: Se evidencia como un escalón en el plano de partición del molde debido a una mala alineación de las dos mitades del molde.

Corrimiento del corazón: El efecto de la flotación del corazón en el metal puede hacer que la posición del corazón no sea la adecuada y se genere una variación de la geometría final deseada.