Nuevos materiales:una odisea de 35.000 años

del homo habilis al homo sapiens

Manufactura I

Plan 2016

Semestre 2017-2

Descripción esquemática del procesos de colada

• En el proceso de fundición el metalfundido fluye por gravedad u otrafuerza dentro de un molde donde sesolidifica y toma la forma de la cavidaddel molde

• Sólido • Líquido • Molde • Sólido • Pieza

Principio fundamental del proceso de fundición

Calor Calor Rebaba

Ventajas de la producción de piezas fundidas

• Producción de partes de geometría compleja

• Algunos procesos no se requiere de operaciones subsecuentes para llenar los

requisitos geométricos y dimensionales de la pieza

• Amplio rango de dimensiones, ya que pueden producir piezas desde unos

gramos hasta más de 100 toneladas

Ventajas de la producción de piezas fundidas

• El proceso de fundición está limitado a metales y aleaciones con temperatura de

fusión menores a los 2000°C (normalmente menor de 1500°C), por lo que los

metales refractarios no son procesados mediante estas técnicas.

• Piezas de geometría irregular.

Wolframio o Tungsteno 3422°C Vanadio 1900°C

Desventajas de la producción de piezas fundidas

• Porosidad (gases o contracción interna)

Fragilidad intrinseca a la microestructura

Factores importantes a ser considerados en la operación de fundición

• Contracción [en estado líquido, durante la solidificación, en

el enfriamiento]

• Fluidez (viscosidad) del metal líquido durante el vaciado

• Enfriamiento del metal en el molde (transferencia de calor,

esto genera esfuerzos internos). Este parámetro lo

determina el material del molde.

Ejemplos de piezas producidas mediante fundición

• Coronas dentales (en desuso)• Joyería• Estatuas• Estufas de hierro fundido• Bloques y cabezas para motores

automotrices• Bases para máquinas• Ruedas para ferrocarril• Utensilios de cocina• Carcasas para bombas• Pistones• árbol de levas

Piezas obtenidas por fundición; izquierda piezas de aleaciones de aluminio y en la figura intermedia de hierro gris y en la derecha de

acero inoxidable.

Por fundición se pueden producir piezas de decenas de toneladas.

Campana Zarina, Kremlin Moscú, Rusia. Fundida en 1733 y con un peso de 216 ton. y una altura de 6.14 m y un diámetro de 6.6 m.

Etapas principales del proceso de fundición.

Para llevar a cabo el proceso se requiere:

El molde o matrizSus materialesSu duraciónSu producción

El metal líquido

-Técnicas de fusión utilizadas

-Tipo de hornos

-Mecanismos de preparación y desgasificación.

La denominación será función de su duración

• Molde Un vaciado y se destruye

• Matriz Permite más de una operación

Matriz semipermanente Algunas operaciones

Matriz permanentemás de 1000 vaciados

Para el molde

• Modelo de la pieza (dimensiones, forma) Madera, aluminio,

resinas

Molde:

• Tiene con la forma geométrica requerida

• Cavidad sobredimensionada compensa contracción

• De diferentes materiales (Arena, yeso y cerámica)

• Canales de alimentación (coladas)

• Mazarotas (compensan la contracción)

• Las cavidades se producen mediante machos o corazones

Modelo

• Más grande que la pieza final [Contracción y maquinado]

• Ángulos mínimos con la dirección de desmoldeo

Ángulo de salida (0.5 a 2°)

• Si el modelo se extrae en forma líquida o gaseosa no son

necesarios ángulos de salida (fundición a la cera pérdida,

espuma perdida-lost foam processes).

Modelo

• Resistentes a la compresión, humedad ó temperatura

• Puede haber modelos desechables (una sola pieza)

Cera pérdida Parafina y polietileno

Colada sin cavidad Poliestireno expandido

•Para varias operaciones Madera, plásticos, Aluminio,

Hierro fundido

• Usualmente se fabrican dos o más semimodelos

Modelos de madera, la zona pintada de negro (platilla) corresponde al apoyo del macho o corazón.

Izquierda: modelo de una válvula de compuerta de 36”; en el

centro se muestra la caja de corazones.

Inferior derecha modelo de poliestireno expandido y la

correspondiente pieza ya fundida.

Manufactura ISemestre 2017-115 de agosto de 2016

Tecnología de la Fundición

Modelo placa para proceso Shell, (derecha)

Modelo de aluminio para rotor

Molde permanente o matriz

• Fundición a presión (Pressure die casting)

• Colada por gravedad en matriz (Die casting)

• Colada a baja presión (Low pressure die casting)

Matrices, (a) Colada por gravedad, (b) Inyección.

Molde no permanente.

a. Compactación de la arena alrededor del modelo. Manual ó

mecánica (generalmente por medios automáticos mediante

sistemas neumáticos).

b. Si la pieza es hueca Machos ó corazones para generar

cavidades.

Formados y endurecidos se procederá a su colocación, para el

posterior cerrado del molde.

Molde no permanente [arena, yeso de cerámista,

cáscara cerámica]

Enfriamiento lento

Desmoldeo Destrucción del molde y extracción de la pieza

Se retira la arena Generalmente se recicla

Desbarbado Eliminación de conductos (alimentación, mazarota) y rebabas

Limpieza Eliminación de restos de arena

Acabado La pieza puede ser maquinada o tratada térmicamente

Imagen izquierda; modelo, el corazón de arena y la pieza ya vaciada todavía con sistema de alimentación.

Figura derecha; cabeza de un motor diesel.

Métodos de moldeo.

Moldeo en arena verde. Elaboración del molde con mezcla de molde [arena + arcillas –bentonita-, agua] Se activan por la presencia de humedad

• Método más empleado y económico

• Para casi cualquier metal ó aleación

• No se emplea en el caso de piezas muy grandes o de geometrías complejas

• Inconvenientes con el acabado superficial y las tolerancias

Prof.Dr. Armando Ortiz Prado

Moldeo en Arena. El molde consiste en dos mitades: la semicaja ó

semimolde superior y la semicaja ó semimolde inferior. Las dos mitades del molde están separadas por el plano de separación.

Molde de fundición en arena.

Sistema de llenado colada (sprue) y alimentadores (gating system) y mazarotas (riser).

Etapas del moldeo en arena en verde mediante un procedimiento manual.

Moldeo con Arena en Verde.Emplea una mezcla de moldeo cuyos constituyentes principales son: arena, bentonita y agua. Este proceso se caracteriza por ser el más económico

Moldeo en verde con Moldeadoras Neumáticas.

El compactado de la arena se efectúa por percusión-prensado.

Moldeo con arena en verde de piezas de grandes dimensiones.

Cuando las piezas son muy grandes, el moldeo se efectúa en foso, para esto se emplean las lanzadoras de arena.

Mezcla de Moldeo. Éstas deben presentar:

Plasticidad (Facilidad para reproducir la geometría del modelo),

Resistencia Mecánica (capacidad de la arena para conservar la forma de lacavidad)

Poder Refractario (Capacidad para soportar el contacto con el metal fundido sinser sinterizado por éste),

Permeabilidad (Capacidad para permitir la salida de del aire y los gasesproducidos durante el llenado de la pieza)

Estabilidad Química y Física (la mezcla no deberá sufrir transformaciones queafecten las dimensiones de la pieza)

Arena sílica (Si02) es la máscomún, se pueden llegar autilizar arenas de zirconio(ZrSi04), olivinita (Mg2Si04) ycromita (Fe0 - Cr203).

La Arena Sílica es la de empleogeneral por su costo.

Las arenas de zirconio presentanmayor conductividad térmica yno se adhieren a la superficie dela pieza.

Tabla 1 Composición típica de una arena para fundición.

Composición Arena Sintética %

Arena Natural %

Si02 97.91 78.2Al203 1.13Fe203 0.5 10.12Ti02 0.04Ca0 0.11 2.4Mg0 0.02 1.8K20 0.65 2.1Na20 0.07 0.2

Pérdidas porcombustión

0.21 4.1

•Moldeo en verde; aglomerantes- arcillas, éstas se caracterizan por ser

regenerables ya que su fuerza de adhesión se obtiene mediante la adición deagua

•Caoliníticas (Al203 - 2Si02-2H20), montmorilloníticas [bentonitas] (Al203-4Si02-H20-nH20), hidromicáceas y poliminerales.

•Las bentonitas se utilizan tanto para el moldeo en verde como en seco.

a) Efecto de la Humedad en la Resistencia en Verde y en Seco,b) Influencia de la Humedad y del Contenido de Arcillas en la Resistencia en

Verde.

Métodos de moldeo.

Procesos CO2; arena seca + aglomerante [silicato de sodio Na2SiO3]

Resinas autofraguantes; polímeros termofijos que se mezclan a la arena,

estos endurecen a temperatura ambiente, moldes para piezas de acero.

Caja caliente; Resinas de origen orgánico, terminan su polimerización al

calentar la mezcla. Se utilizan para corazones.

Estos procesos permite fundir piezas con mejor acabado superficial y tolerancias máscerradas.

Moldeo en arena seca; En este el molde se seca antes del vaciado. Se

incrementa la rigidez del molde. Piezas de mayor tamaño, sin inconvenientesdebidos a la presencia de humedad durante el vaciado (bentonita sódica).

Métodos de moldeo.

Moldeo en cáscara (Shell molding); Mezcla seca de arena + resina

fenólica, ésta se endurece al calentarse a temperaturas entre 200 y 300ºCincrementando sensiblemente su rigidez, todo lo cual permite la producción demoldes (cáscaras) que solamente conllevan el contorno de la pieza. Se aplicapara piezas pequeñas y medianas con una alta precisión y un excelenteacabado.

Yeso de ceramista (plaster mold casting); es usual en aplicaciones

odontológicas o artísticas empleando para tal fin procesos como el de la cerapérdida.

Molde en yeso ya terminado, derecha piezas en aluminio producidas por este método.

MOLDEO EN ARENA EMPLEADO COMO AGLUTINANTE SILICATO DE SODIO (PROCESO CO2).Para obtener la resistencia en el molde es necesario hacer pasar una corriente de gas carbónico [CO2] a través de la arena.

Silicato de sodio (Na2Si03.nH20).

El paso de C02 a través de la mezcla o por calor se producen una serie de reacciones químicas que dan lugar a la formación de una gel sílice que actúa como puente entre los granos de arena, la reacción general se representa por:

Na2 Si03 + CO2 Na2 CO3 + Si02

Para reducir los costos se puede tan solo utilizar una capa que recubra al modelo y el resto se rellena con arena en verde.

El proceso C02 se emplea más en laproducción de corazones.

Mayor precisión dimensional.Mejor acabado.

Geometrías o detalles máscomplejos.

Su principal desventaja radica en elcosto de las resinas y en elreciclaje de la arena.

Máquina Sopladora de Corazones.

Moldeo en caja caliente.Producción de corazones, su principal ventaja sobre el de cáscara reside en lamayor velocidad de producción.

Resinas líquidas sintéticas, que al reaccionar con un catalizador a latemperatura adecuada, produce una cáscara de resistencia suficiente para queresista el peso del corazón, permitiendo así su maniobra sin que se rompa.

La reacción que se produce para lograr el endurecimiento es:

Resina líquida + catalizador + calor resina sólida + agua

Constituyentes de las resinas para el proceso de caja caliente.

Constituyente Composición Química

Fenol C6 H5 OH

Formaldehído CH2 = 0

Urea 0 = C (NH)2

Alcohol furfural

Moldeo en cáscara (Shell).

Corazones producidos por diferentes técnicas, ya durante su ensamble.

Máquina sopladora de corazones de caja caliente

Izquierda vaciado de aluminio en moldes de arena en verde. Derecha, compactado de la arena alrededor del modelo, con auxilio de una

pisoneta neumática

Vaciado de los moldes en un carrusel.

Colada en matriz.

Se caracteriza por el empleo de moldes metálicos (matrices) producidos en hierro gris o acero. Este tipo de proceso se emplea para lotes grandes

de producción de piezas medianas cuya geometría permite su llenado por acción exclusiva de las fuerzas de gravedad (por ejemplo pistones

automotrices).

Fundición a presión ó inyección de metales:

Piezas medianas y pequeñas (desde unos gramos hasta unos 50 Kg).

Metales y aleaciones de bajo punto de fusión (generalmente menor a650 °C; aleaciones de aluminio y de zinc).

Geometrías complejas y espesores pequeños (del orden de unoscuantos mm)

Cavidades simples [los corazones son de acero]

Lotes de producción muy grandes (mínimo del orden de unas 10000piezas).

Se caracteriza por su reducido costo de operación, aunado a excelentesacabados y tolerancias cerradas.

Máquina para inyección de metales,Descripción esquemática del proceso.

Fundición prensada (squeeze casting)

Desarrollada en la segunda mitad del siglo XX (hacia 1960)Involucra la solidificación del metal bajo alta presión; combina forja con colada,afinando la microestructura y obteniendo mejores propiedades mecánicas.

a). Descripción esquemática, b) Piezas producidas por squeeze casting.

Fundición a baja presión (low pressure casting); Moldes de grafito o también matrices metálicas. El llenado es en flujo laminar por la parte inferior del molde,La presión necesaria para que el metal ascienda y llene el molde se aplica a través de un gas inerte.

La microestructura obtenida garantiza excelentes propiedades mecánicas. Este proceso se puede emplear tanto para los blocks de motor como para las ruedas.

Fundición a baja presión (low pressure casting).

Centrifugado y semicentrifugado:Llenado del molde por la acción de las fuerzas generadas por la rotaciónde éste.

Estos permiten la obtención de piezas sanas (eliminación de defectos) yla disminución o en su caso la eliminación de conductos de llenado ymazarotas.

CentrifugadoEliminación de corazones o machos

SemicentrifugadoEliminación de mazarotas o alimentaciones

Centrifugado. a) en eje horizontal; b) Máquina para centrifugado vertical.

Centrifugado.

2

22

22

2

22

2

222

4

4

2 1

4 4 2

F ma NP

A l m

ma Rs

l RF m R

PA l l

l RF m R

PA l l

R RRP R

Pieza sólida.

Centrifugado.

2 22 2

int

2 2 2

int

2 2

2

2 2

1800

1

2

Factor de centrifugado ( )

260

900

donde

radio de la pieza

aceleración de la gravedad

densidad

revoluciones por minuto

velocidad a

ext

ext

NP R R

P R R

G

R vG

g Rg

NRN R

GRg g

R

g

N

ngular

Pieza hueca.

• Procesos de fundición

• Modelo permanente

• Molde No permanente

• Por gravedad

• Moldeo en arena

• Molde Permanente

• Molde Metálico

• Baja presión

• Fundición a presión

• Modelo no permanente

• Moldeo en cerámicas

Espuma pérdida

Cera pérdida

En yeso de ceramista

C erámicos

Arcillas

Silicatos

Resinas

Al vacío