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• María Soledad De La Rosa Estrada

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República Bolivariana de Venezuela Ministerio del Poder Popular Para la Defensa Universidad Nacional Experimental de La Fuerza Armada Nacional Bolivariana Núcleo Sucre – Sede Cumaná

PROCESOS DE FUNDICIÓN

Profesor: Ing. Ángel Meza

Realizado por: Márquez, Higoriekna CI: 21388369 Reyes, Doriannys CI: 24401334 Urbaez, Noelka CI: 20403170 Delgado, Handerson CI: 25623467 Ricardi, Carlos CI: 20576657 De La Rosa E, María CI: 20991059 6to semestre. Ing. Naval

Cumaná, Octubre de 2016

INTRODUCCIÓN

La fundición es una de las profesiones más antiguas, desde tiempos remotos el hombre ha producido objetos de metal fundido para propósitos artísticos o prácticos. Con el crecimiento de la sociedad industrial, la necesidad de fundición de metales ha sido muy importante. El metal fundido es un componente importante de la mayoría de maquinarias modernas, vehículos de transporte, utensilios de cocina, materiales de construcción, y objetos artísticos y de entretenimiento. También está presente en otras aplicaciones industriales tales como herramientas de trabajo, maquinarias de manufactura, equipos de transporte, materiales eléctricos y electrónicos, objetos de aviación, entre otros, la mejor razón de su uso es que puede ser producida económicamente en cualquier forma y tamaño. Este proceso fundamentalmente radica en fundir y colar metal líquido en un molde de la forma y tamaño deseado para que allí solidifique. Generalmente este molde se hace en arena, consolidado por un apisonado manual o mecánico alrededor de un modelo, el cual se extrae antes de recibir el metal fundido. No hay limitaciones en el tamaño de las piezas que puedan colarse, variando desde pequeñas piezas de prótesis dental, con peso en gramos, hasta los grandes bastidores de máquinas de varias toneladas. Este método, es el más adaptable para dar forma a los metales y muchas piezas que son imposibles de fabricar por otros procesos convencionales como la forja, laminación, soldadura y otros.

PROCESO DE FUNDICIÓN El proceso para producir piezas y objetos útiles con metal fundido se conoce como proceso de fundición. Este proceso se ha practicado desde el año 2000 AC. Consiste en fundir un material e introducirlo en una cavidad (vaciado, moldeado), llamada molde, donde se solidifica. El

proceso

más

común

es

la

fundición

en arena,

por

ser

ésta

un

material refractario muy abundante en la naturaleza y que, mezclada con arcilla, adquiere cohesión y moldeabilidad sin perder la permeabilidad que posibilita evacuar los gases del molde al tiempo que se vierte el metal fundido. La fundición en arena consiste en colar un metal fundido, típicamente aleaciones de hierro, acero, bronce, latón y otros, en un molde de arena, dejarlo solidificar y posteriormente romper el molde para extraer la pieza fundida (pero ya sólida). Para lograr la producción de una pieza fundida es necesario hacer las siguientes actividades:          

Diseño de los modelos de las piezas y sus partes internas. Diseño del molde. Preparación de los materiales para los modelos y los moldes. Fabricación de los modelos y moldes. Colado del metal fundido. Enfriamiento de los moldes. Extracción de las piezas fundidas. Limpieza de las piezas fundidas. Terminado de las piezas fundidas. Recuperación de los materiales de los moldes

MOLDES El molde es una cavidad que tiene la forma geométrica de la pieza que se va fundir. La arena de fundición es sílice (Si02) o sílice mezclada con otros minerales. Esta arena debe tener buenas propiedades refractarias, expresadas como la capacidad de resistir altas temperaturas sin fundirse o degradarse. Otras características importantes son: el tamaño del grano, la distribución de tamaños del grano en la mezcla y la forma de los granos. Los granos pequeños

proporcionan mejor acabado superficial en la fundición, pero los granos grandes son más permeables, para que los gases escapen durante el vaciado. Los moldes hechos de granos irregulares tienden a ser más fuertes que los moldes de granos redondos debido al entrelazado de los granos, pero esto tiende a restringir la permeabilidad. Los procesos de fundición del metal se dividen en dos categorías de acuerdo al tipo de moldes 1) moldes desechables y 2) moldes permanentes. En las operaciones de fundición con molde desechable, éste se destruye para remover la parte fundida, como se requiere un nuevo molde por cada nueva fundición, las velocidades de producción son limitadas, ya que se requiere más tiempo para hacer el molde que para la fundición en sí, sin embargo, para ciertas partes se pueden producir moldes y fundiciones a velocidades de 400 partes por hora o mayores. En los procesos de moldeo permanente, el molde se fabrica con metal (u otro material durable) que permite usarlos en repetidas operaciones de fundición. En consecuencia, estos procesos tienen una ventaja natural para mayores velocidades de producción. CLASIFICACIÓN DE MOLDES SEGÚN EL MATERIAL UTILIZADO Moldes con capa seca Dos métodos son generalmente usados en la preparación de moldes con capa seca. En uno la arena alrededor del modelo a una profundidad aproximada de 10 mm se mezcla con un compuesto de tal manera que se seca y se obtiene una superficie dura en el molde. El otro método es hacer el molde entero de arena verde y luego cubrir su superficie con un rociador de tal manera que se endurezca la arena cuando el calor es aplicado. Los rociadores usados para este propósito contienen aceite de linaza, agua de melaza, almidón gelatinizado y soluciones liquidas similares. En ambos métodos el molde debe secarse de dos maneras: por aire o por una antorcha para endurecer la superficie y eliminar el exceso de humedad. Moldes con arena seca

Estos moldes son hechos enteramente de arena común de moldeo mezclada con un material aditivo similar al que se emplea en el método anterior. Los moldes deben ser cocados totalmente antes de usarse, siendo las cajas de metal. Los moldes de arena seca mantienen esta forma cuando son vaciados y están libres de turbulencias de gas debidas a la humedad.

Moldes de arcilla Los moldes de arcilla se usan para trabajos grandes. Primero se construye el molde con ladrillo o grandes partes de hierro. Luego, todas estas partes se emplastecen con una capa de mortero de arcilla, la forma del molde se empieza a obtener con una terraja o esqueleto del modelo. Luego se permite que el molde se seque completamente de tal manera que pueda resistir la presión completa del metal vaciado. Estos moldes requieren de mucho tiempo para hacerse y su uso no es muy extenso. Moldes furánico El proceso es bueno para la fabricación de moldes usando modelos y corazones desechables. La arena seca de grano agudo se mezcla con ácido fosfórico el cual actúa como un acelerador. La resina furánica es agregada y se mezcla de forma continua el tiempo suficiente para distribuir la resina. El material de arena empieza a endurecerse casi de inmediato al aire, pero el tiempo demora lo suficiente para permitir el moldeo. El material usualmente se endurece de una a dos horas, tiempo suficiente para permitir alojar los corazones y que puedan ser removidos en el molde. En uso con modelos desechables la arena de resina furánica puede ser empleada como una pared o cáscara alrededor del modelo que estará soportado con arena de grano agudo o en verde o puede ser usada como el material completo del molde Moldes de CO2

En este proceso la arena limpia se mezcla con silicato de sodio y es apisonada alrededor del modelo. Cuando el gas de CO2 es alimentado a presión en el molde, la arena mezclada se endurece. Piezas de fundición lisas y de forma intrincada se pueden obtener por este método, aunque el proceso fue desarrollado originalmente para la fabricación de corazones. Moldes de metal Los moldes de metal se usan principalmente en fundición en matriz de aleaciones de bajo punto de fusión. Las piezas de fundición se obtienen de formas exactas con una superficie fina, esto elimina mucho trabajo de maquinado. Moldes especiales Plástico, cemento, papel, yeso, madera y hule todos estos son materiales usados en moldes para aplicaciones particulares. El molde debe poseer las siguientes características:  Debe ser lo suficientemente fuerte para sostener el peso del metal.  Debe resistir la acción de la erosión del metal que fluye con rapidez durante la colada.  Debe generar una cantidad mínima de gas cuando se llena con el metal fundido. Los gases contaminan el metal y pueden alterar el molde.  Debe construirse de modo que cualquier gas que se forme pueda pasar a través del cuerpo del molde mismo, más bien que penetrar el metal.  Debe ser suficientemente refractario para soportar la alta temperatura del metal y poderse desprender con limpieza del colado después del enfriamiento.  El corazón debe ceder lo suficiente para permitir la contracción del colado después de la solidificación.

ARENAS DE MOLDEO

La arena de moldeo es uno de los materiales utilizados particularmente en las fundiciones para la creación de moldes y machos. A pesar de su nombre, la arena de moldeo no es arena sola, sino un material compuesto hecho a partir de varios otros materiales, dándole fuerza, una cierta cantidad de resistencia al calor y las cualidades de unión necesarias para crear los moldes y machos. Entre las arenas de moldeo tenemos:  Arena de Sílice: La arena de sílice se compone de 1àtomo de sílice y 2 de oxigeno formando una molécula muy estable: Si O2. (Dióxido de Silicio). Esta molécula es insoluble en agua y es un mineral que es altamente resistente al calor, con un punto de fusión de 1650 grados centígrados. (3002 grados Fahrenheit). El dióxido de silicio es el mineral más abundante de la tierra, y se encuentra en todo el mundo en diversas formas.  Arena de Olivino: Es una arena especial para la fabricación de moldes y machos en la industria de la fundición. Su carácter básico la hace adecuada en

la

fabricación

de

piezas

fundidas

de

acero

al

manganeso,

comparativamente con la arena de sílice es menos reactiva con el óxido de manganeso. La dilatación térmica de la arena de olivino es menor que la de la arena de sílice y tiene una alta resistencia al choque térmico, con lo que se reducen también los problemas derivados de la expansión de la arena.  Arena de Cromita: Es una arena especial con muy buenas propiedades a elevadas temperaturas, proporciona una alta resistencia a la penetración del metal líquido, y comparativamente con otras arenas produce un enfriamiento más rápido de la pieza fundida. Es compatible con todos los procesos químicos de confeccionamiento de moldes y machos.  Arena de Circonio: La arena de circoni presenta excelentes propiedades refractarias, baja dilatación térmica y elevada conductividad térmica. Su composición es Silicato de circonio (ZrSiO4) y tiene una densidad aparente aproximada de 2,7 gr. Se emplea en la fabricación de machos y moldes sometidos a altas temperaturas como es el caso de piezas de acero y

piezas masivas de fundición. Las propiedades de la arena de circonio permiten reducir o eliminar el veining, evitar las reacciones metal/molde y aumentar la velocidad de enfriamiento.  Arena de Cerabeads: Cerabeads es una arena sintética cuya composición es Silicato de alúmina (3AL2032SiO2), presenta excelentes propiedades refractarias, una ata permeabilidad y dilatación térmica similar a la arena de circonio. Esta arena es compatible con todos los procesos químicos de confeccionamiento y es muy apropiada para piezas de acero aleado o machos sometidos a altas solicitaciones térmicas como por ejemplo pasos de aceite en motores de combustión. MÉTODO DE MOLDEO POR ARENA La fabricación de piezas metálicas de una forma y tamaño definidos, fundiendo un metal o aleación y vertiéndolo en moldes construidos previamente, es la técnica que se designa con el nombre de conformación por moldeo. Un molde es un recipiente que presenta una cavidad en la que se introduce el material en estado líquido que, al solidificarse, adopta la forma de la cavidad. A esta técnica también se le llama fundición o colada. Permite dar forma a muchos materiales con un buen acabado. Para crear una pieza mediante esta técnica es preciso seguir una serie de pasos: En primer lugar, se debe diseñar la pieza que se desea moldear empleando las herramientas gráficas oportunas. Una vez que se ha realizado el diseño de la pieza que se desea fabricar, es necesario construir un modelo. Generalmente se elaboran en madera o yeso, de forma totalmente artesanal. A partir del modelo se construye el molde, que puede ser de arena; si la pieza es hueca es preciso fabricar también los machos o noyos, que son unas piezas que recubren los huecos interiores.

En todos estos pasos se debe tener en cuenta el material elegido para la fabricación de la pieza. El proceso de llenado del molde se conoce como colada. El desmoldeo consiste en extraer la pieza del molde una vez solidificada. En muchos casos, y fundamentalmente cuando se requiere precisión, deben realizarse tratamientos de acabado sobre las piezas obtenidas. Los materiales con los que se construyen las piezas suelen ser metales y aleaciones, y deben poseer las siguientes características:  Punto de fusión bajo (para ahorrar combustible).  Bajo coeficiente de dilatación en estado líquido (para que la contracción del metal sea pequeña).  Bajo coeficiente de dilatación en estado sólido (para disminuir el peligro de formación de grietas durante el enfriamiento).

CAJAS DE MOLDEO El método de moldeo por arena emplea como tal una variedad llamada sílice (SiO2). La arena se aglomera (compacta) gracias a la ayuda de agua y arcilla. Antes de nada, deben construirse o emplearse unas cajas de moldeo (de madera, acero, entre otros), que contendrán la arena compactada junto al modelo. Se emplean dos cajas: La caja superior y la inferior (o de fondo). Ambas se unen con clavijas durante el moldeo. Se rellena la caja inferior con arena y se compacta. Se introduce el modelo. El modelo está dividido en dos mitades. En este caso se introduce la mitad del modelo. Se repite el proceso con la otra mitad, incorporando un canal, llamado bebedero por el que entrará el metal fundido y también se deja otro canal llamado mazarota que asegura la evacuación de los gases. Se abre el molde y se retiran los modelos. Se vuelven a unir las dos mitades sin olvidar los machos que ocupen el lugar de los huecos de la pieza final. Una vez secado el molde, se retiran las cajas de moldeo. Se vierte el metal fundido hasta rellenar el hueco originado por el modelo, dejando transcurrir el tiempo necesario para que el metal solidifique. A continuación, se rompe el molde y se elimina la arena que haya quedado adherida a la pieza, incluido el macho.

MOLDES DE ARENA EN VERDE: Es el método más común que consiste en la formación del molde con arena húmeda, usada en ambos procedimientos. La llamada arena verde es simplemente arena que no se ha curado, es decir, que no se ha endurecido por horneado. El color natural de la arena va desde el blanco hasta el canela claro, pero con el uso se va ennegreciendo. La arena no tiene suficiente resistencia para conservar su forma, por ello se mezcla con un aglutinante para darle resistencia; luego se agrega un poco de agua para que se adhiera. Esta arena se puede volver a emplear solo añadiendo una cantidad determinada de aglutinante cuando se considere necesario. El moldeo en arena verde consiste en la elaboración de moldes partiendo de la mezcla de arena de sílice y bentonita (un derivado de la arcilla) a un 30 - 35 % con una cantidad moderada de agua.

Fig. A-1 Muestra de un molde en arena verde listo para verter la fundición. Esta primera elaboración de la mezcla se denomina arena de contacto, tras su primera utilización esta mezcla es reutilizable como arena de relleno, la cual al añadirle agua vuelve a recuperar las condiciones para el moldeo de piezas. De esta manera, se puede crear un circuito cerrado de arenería.

Existe otro tipo de preparado de la arena, es un tipo de preparado ya comercial, consiste en una mezcla de arena de sílice con aceites vegetales y otros aditivos. Este tipo de preparado no es reutilizable, ya que tras su utilización dichos aceites se queman perdiendo así las propiedades para el moldeo. Por este motivo no es aconsejable su utilización en grandes cantidades y de forma continua en circuitos de arenería cerrados ya que su utilización provocaría el progresivo deterioro de mezcla del preparado del circuito y por lo tanto su capacidad para el moldeo. Este preparado facilita la realización del moldeo manual, ya que alarga el proceso de manipulación para realizar el modelaje.

TIPOS DE MOLDEOS EN ARENA VERDE Existen dos tipos de moldeos los cuales son:  El moldeo manual  El moldeo en máquina Entonces, el primero como su nombre lo indica consiste en el moldeo realizado de forma manual, y por lo tanto de una manera artesanal. Este tipo de modelaje se está perdiendo en la actualidad debido a la especialización, a la desaparición progresiva de los operarios de fundición y a la utilización de las máquinas de moldeo, mientras que en el segundo reside en el moldeo realizado por medio de una máquina de moldeo. Existen en la actualidad distintos tipos de máquinas para este

fin,

entre

ellas,

las

máquinas

multifunción, máquinas

multipistones y máquinas automáticas. La utilización de este tipo de máquinas ha facilitado la automatización de este proceso, aumentando notablemente las cantidades productivas. PROCESO DE FUNDICIÓN DE MOLDEADO EN VERDE El Término "arena verde" es conocido principalmente por el contenido de humedad dentro de la arena. La arena se somete a un “moldeado / mezclado”, proceso en el que varios tipos de arcilla y aditivos químicos que actúan como aglutinantes se

mezclan con la arena, el resultado es un compuesto que es conveniente para el proceso de moldeo en arena. Esta mezcla de preparado de arena se comprime alrededor del patrón (patrón de la pieza deseada) a presiones y temperaturas específicas, para garantizar que mantenga su forma durante el resto del proceso de fundición. La arena mezclada se compacta alrededor del patrón, tomando la forma del molde deseado.

A veces el diseño de la fundición implica conductos internos en la pieza. Esto se hace mediante el uso de machos de arena que están constituidos por una mezcla de arenas similares. Los núcleos están ubicados estratégicamente para formar los conductos necesarios en la fundición. Las dos mitades del molde posteriormente se cierran y el metal se vierte en la cavidad y se deja solidificar. Después de que la solidificación haya tenido lugar, la arena se hace vibrar hasta que se libera de la fundición. El proceso de acabado puede ser completado por rectificado, mecanizado, la galvanoplastia y la pintura. En la siguiente figura A-2 se observa el proceso paso a paso.

Fig. A-2 (Proceso para la fabricación de piezas mediante el proceso de moldeado en verde)

MODELOS Los modelos se usan para moldear la mezcla de arena a la forma de la fundición.

Fig. A-3 Modelos: Muestra del modelo y de las piezas finales

Pueden ser de dos tipos:  Removibles: La arena comprimida alrededor del modelo el cual se extrae más tarde de la arena y deja una cavidad que se alimenta con metal fundido para crear la fundición.  Desechables: Son hechos de polietileno y en vez de extraer el modelo de la arena, se vaporiza cuando el metal fundido es vaciado en el molde. Si los modelos se destruyen al elaborar la pieza, se dice que estos son desechables; y si los modelos sirven para varias funciones se dice que son removibles.

VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL MOLDEADO EN ARENA VERDE

VENTAJAS  Económico: es un proceso más barato que el resto.  Resistencia a altas temperaturas.  Posibilidad de obtención de piezas de hasta menos de 3mm de grosor de acero.  Posibilidad de utilización en gran cantidad de metales y aleaciones.  Acabado uniforme y liso.

   

No requiere de tolerancias especiales. Aproximadamente un 90% del material del molde es reciclable. Se trata de un proceso flexible con costos de materiales bajos. Piezas sin tensiones residuales.

DESVENTAJAS  No se trata de un proceso recomendado para piezas de gran tamaño.  Las tolerancias que se obtienen suelen ser bastante grandes.  No es el proceso más adecuado para la realización de piezas de geometría compleja.  Los acabados superficiales que se obtienen no son los mejores.  Piezas con resistencia mecánica reducida.

Conclusiòn: En el proceso de fundiciòn existen una diversidad de peligros dado por, los materiales utilizados en los moldes de arena que pueden ser silice critalina, los materiales de corte, los chorros de arena y el esmerilado crean plovo, el trabador

debe contar con una pràctica de trabajo, ventilaciòn adecuada y los equipos de protecciòn necesarios en sus labores. Cuando el trabajo se realiza directamente con materiales fundidos, en el calor o llamas, es necesario el uso de un casco de seguridad, delantal, chamarra o capa, chaparreras y polainas de cuero, de tela de fibra de vidrio con recubrimiento de aluminio, de telas sintèticas o lana tratada. Por lo general de los metales que se funden se desprenden gases que pueden resultar peligroso para el trabajador y para el medio ambiente si se respiran, para ello se debe usar equipos de respiraciòn. La arena de los moldes contiene sìlice, lo que pudiera causar enfermedades directas con los pulmones. El empacado de los moldes de sìlice, el sacudir y limpiar las pieza fundidas pudieran producir tambien sìlice cristalina por lo que se debe usar necesaria y obligatoriamente equipos de respiraciòn. Los procesos en espacios cerrados o los procesos automatizados pueden reducir aùn màs la exposiciòn a sustancias peligrosas en el medio.