En el trabajo de metales y la fabricación de joyas, la fundición es un proceso en el que un metal líquido se entrega en un molde (generalmente 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 . A continuación, se enfrían el metal y el molde y se extrae la pieza metálica (la pieza fundida ). La fundición se usa con mayor frecuencia para hacer formas complejas que serían difíciles o antieconómicas de hacer con otros métodos. [1]
Los procesos de fundición se conocen desde hace miles de años y se han utilizado ampliamente para la 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, aeroespacial, 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 se puede dividir en fundición centrífuga y fundición por vertido directo asistida por vacío ), fundición con moldes 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]
Fundición de moldes fungibles [ editar ]
La fundición de moldes fungibles es una clasificación genérica que incluye molduras de arena, plástico, concha, yeso y de inversión (técnica de cera perdida). Este método de fundición de moldes implica el uso de moldes temporales no reutilizables.
Fundición en arena [ editar ]
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 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 existen otros beneficios para la fundición en arena, como las operaciones de tamaño muy pequeño. El proceso permite que los moldes lo suficientemente pequeños quepan en la palma de la mano hasta los lo suficientemente grandes solo para las camas de los trenes (una fundición puede crear la cama 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 (1–20 piezas / hr-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 de masa parcial práctico de 2,300-2,700 kg (5,100-6,000 lb). El peso mínimo de la pieza varía de 0,075 a 0,1 kg (0,17 a 0,22 libras). La arena se une con arcillas, aglutinantes químicos o aceites polimerizados (como aceite de motor). La arena se puede reciclar muchas veces en la mayoría de las operaciones y requiere poco mantenimiento.
Moldeo de marga [ editar ]
El moldeo 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 de lo producido se forma en un material friable (la camisola). El moho se forma alrededor de esta camisa cubriéndola con marga. Luego se hornea (se cuece) y se quita la camisa. Luego, el molde se coloca en posición vertical en un pozo frente al horno para que se vierte el metal. Posteriormente se rompe el molde. Por lo tanto, los moldes solo se pueden usar una vez, por lo que se prefieren otros métodos para la mayoría de los propósitos.
Fundición de moldes de yeso [ editar ]
La fundición de yeso es similar a la fundición en arena, excepto que se usa yeso de París en lugar de arena como material de molde. Generalmente, la forma toma menos de una semana para prepararse, después de lo cual se logra una tasa de producción de 1 a 10 unidades / hora de molde, con artículos tan masivos como 45 kg (99 lb) y tan pequeños como 30 g (1 oz). con muy buen acabado superficial y estrechas tolerancias . [5] El yeso es una alternativa económica a otros procesos de moldeo para piezas complejas debido al bajo costo del yeso y su capacidad para producir moldes con forma casi neta . La mayor desventaja es que solo se puede usar con materiales no ferrosos de bajo punto de fusión, como aluminio, cobre, magnesio y zinc. [6]
Moldeado de concha [ editar ]
El moldeado de concha es similar al moldeado en arena, pero la cavidad de moldeado está formada por un "caparazón" endurecido de arena 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 cáscara alrededor del patrón. Debido a la resina y la arena más fina, da 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 hierro fundido , aluminio, magnesio y aleaciones de cobre. Este proceso es ideal para artículos complejos de tamaño pequeño a mediano.
Fundición de inversión [ editar ]
La fundición a la cera perdida (conocida como fundición a la cera perdida en el arte) 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 conocidas. Desde hace 5000 años, cuando la cera de abejas formó 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 por inversión deriva su nombre del hecho de que el patrón está revestido o rodeado con un material refractario. Los patrones de cera requieren un cuidado extremo 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 de forma de red a partir de una variedad de diferentes metales y aleaciones de alto rendimiento. Aunque generalmente se utiliza para pequeñas piezas de fundición, este proceso se ha utilizado para producir marcos de puertas de aviones completos, con piezas de acero de hasta 300 kg y 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 moldean casi en forma neta, por lo que requieren poca o ninguna modificación una vez que se han fundido.
Residuos de yeso [ editar ]
Esta sección no cita ninguna fuente . ( Febrero de 2009 ) ( Obtenga información sobre cómo y cuándo eliminar este mensaje de plantilla ) |
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, el trabajo es más duradero (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 tal trabajo se considera un proceso técnico, más que artístico, incluso puede posponerse más allá de la vida útil. del artista.
En la moldura de desecho se vierte un molde de yeso simple y delgado, reforzado con sisal o arpillera, sobre la mezcla de arcilla original. Una vez curado, se retira de la arcilla húmeda, destruyendo de paso los finos detalles en los cortes presentes en la arcilla, pero que ahora quedan atrapados en el molde. El molde puede usarse en cualquier momento posterior (pero solo 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 acabada.
Fundición de patrón evaporativo [ editar ]
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 quitar el material de patrón del molde antes de la fundición. Los dos procesos principales son la fundición con espuma perdida y la fundición con molde completo.
Fundición de espuma perdida [ editar ]
La fundición de espuma perdida es un tipo de proceso de fundición de patrón evaporativo que es similar a la fundición de inversión, excepto que se usa 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.
Fundición de molde completo [ editar ]
La fundición de molde completo es un proceso de fundición de patrón evaporativo que es una combinación de fundición en arena y fundición con espuma perdida . Utiliza un patrón de espuma de poliestireno expandido que luego se rodea de arena, al igual que el moldeado en arena. Luego, el metal se vierte directamente en el molde, que vaporiza la espuma al entrar en contacto.
Fundición de moldes no fungibles [ editar ]
La fundición con moldes no fungibles se diferencia de los procesos consumibles en que no es necesario reformar el molde después de cada ciclo de producción. Esta técnica incluye al menos cuatro métodos diferentes: colada permanente, moldeada, centrífuga y continua. Esta forma de fundición también da como resultado una repetibilidad mejorada en las piezas producidas y ofrece resultados de forma casi neta .
Fundición de molde permanente [ editar ]
La fundición de moldes permanentes es un proceso de fundición de metales 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 utilizan presión de gas o vacío . Una variación del proceso típico de fundición por gravedad, llamada fundición de aguanieve , produce fundiciones 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 moldean en grafito.moldes. Los moldes permanentes, aunque duran más de un vaciado, tienen una vida útil limitada antes de desgastarse.
Fundición a presión [ editar ]
El proceso de fundición a presión fuerza el metal fundido a alta presión en las cavidades del molde (que se mecanizan en troqueles). 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 de metales ferrosos . El método de fundición a presión es especialmente adecuado para aplicaciones donde se necesitan muchas piezas de tamaño pequeño a mediano con buen detalle, una calidad de superficie fina y consistencia dimensional.
Fundición de metal semisólido [ editar ]
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 fundiciones 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 lechada semisólida en matrices de acero endurecido reutilizables. La alta viscosidad del metal semisólido, junto con el uso de condiciones controladas de llenado de la matriz, asegura que el metal semisólido llene la matriz de una manera no turbulenta, de modo que la porosidad dañina se pueda eliminar esencialmente.
Utilizadas comercialmente principalmente para aleaciones de aluminio y magnesio, las piezas de fundición SSM se pueden tratar térmicamente a los temperamentos T4, T5 o T6. La combinación de tratamiento térmico, velocidades de enfriamiento rápidas (debido al uso de matrices de acero sin recubrimiento) y una porosidad mínima proporciona excelentes combinaciones de resistencia y ductilidad. Otras ventajas de la fundición SSM incluyen la capacidad de producir piezas de forma compleja con forma neta, estanqueidad a la presión, tolerancias dimensionales estrechas y la capacidad de fundir paredes delgadas. [7]
Fundición centrífuga [ editar ]
En este proceso, el metal fundido se vierte 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 se expulsa hacia la periferia.
La fundición centrífuga es independiente de la presión y la gravedad, ya que crea su propia alimentación forzada utilizando un molde de arena temporal que se mantiene en una cámara de hilado. El tiempo de entrega varía con la aplicación. El procesamiento semi-centrífugo y centrífugo verdadero permite producir moldes de 30 a 50 piezas / h, 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 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.
Las piezas de arte pequeñas, como las joyas, a menudo se moldean con 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 en 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.
Transmisión continua [ editar ]
La colada continua es un refinamiento del proceso de colada para la producción continua de grandes volúmenes de perfiles metálicos con una sección transversal constante. El metal fundido se vierte en un molde abierto, enfriado por agua, lo que permite que se forme una "piel" de metal sólido sobre el centro todavía líquido, solidificando gradualmente el metal de afuera hacia adentro. Después de la solidificación, la hebra, ya que a veces se llama, se retira continuamente del molde. Las longitudes predeterminadas de la hebra pueden cortarse mediante cizallas mecánicas o antorchas de oxiacetileno móviles y transferirse a otros procesos de formación o a una pila de almacenamiento. Los tamaños de fundición pueden variar desde tiras (unos pocos milímetros de grosor por unos cinco metros de ancho) hasta palanquillas (de 90 a 160 mm cuadrados) y losas (1,25 m de ancho por 230 mm de grosor). Algunas veces,la hebra puede someterse a un laminado en caliente inicial proceso antes de ser cortado.
La colada continua se utiliza debido a los menores costos asociados con la producción continua de un producto estándar y también al aumento de la calidad del producto final. Los metales como el acero, el cobre, el aluminio y el plomo se funden de forma continua, siendo el acero el metal de mayor tonelaje fundido mediante este método.
Terminología [ editar ]
Los procesos de fundición de metales utilizan la siguiente terminología: [8]
- Patrón : un duplicado aproximado del vaciado final utilizado para formar la cavidad del molde.
- Material de moldeo: el material que se empaqueta alrededor del patrón y luego se quita el patrón para dejar la cavidad donde se verterá el material de fundición.
- Matraz : El marco rígido de madera o metal que sostiene el material de moldura.
- Cope : la mitad superior del patrón, matraz, molde o núcleo.
- Arrastre : la mitad inferior del patrón, matraz, molde o núcleo.
- Núcleo : un inserto en el molde que produce características internas en la fundición, como agujeros.
- Impresión del núcleo: la región agregada al patrón, núcleo o molde que se utiliza para ubicar y sostener el núcleo.
- Cavidad del molde: el área abierta combinada del material de moldeo y el núcleo, donde se vierte el metal para producir la fundición.
- Elevador : un vacío adicional en el molde que se llena con material fundido para compensar la contracción durante la solidificación.
- Sistema de compuerta: la red de canales conectados que entregan el material fundido a las cavidades del molde.
- Taza de vertido o palangana de vertido: La parte del sistema de compuerta que recibe el material fundido del recipiente de vertido.
- Bebedero : La taza de vertido se adhiere al bebedero, que es la parte vertical del sistema de compuerta. El otro extremo del bebedero se une a los corredores.
- Corredores: La parte horizontal del sistema de compuerta que conecta los bebederos a las compuertas.
- Puertas: Las entradas controladas de los corredores a las cavidades del molde.
- Ventilaciones: Canales adicionales que proporcionan un escape para los gases generados durante el vertido.
- Línea de partición o superficie de partición: La interfaz entre la capa y las mitades de arrastre del molde, matraz o patrón.
- Calado : el ahusamiento en la fundición o patrón que permite retirarlo del molde.
- Caja de machos: el molde o matriz que se utiliza para producir los machos.
- Coronilla: Varilla de sujeción vertical larga para el núcleo que después de la fundición se convierte en parte integral de la fundición, proporciona el soporte al núcleo.
Algunos procesos especializados, como la fundición a presión, utilizan terminología adicional.
Teoría [ editar ]
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 se producen durante la solidificación, como la porosidad del gas y la contracción por solidificación . [9]
La solidificación ocurre en dos pasos: nucleación y crecimiento de cristales . En la etapa de nucleación, se forman partículas sólidas dentro del líquido. Cuando estas partículas forman su energía internaes más bajo que el líquido rodeado, lo que crea una interfaz de energía entre los dos. La formación de la superficie en esta interfaz requiere energía, por lo que a medida que ocurre la nucleación, el material se enfría menos, es decir, se enfría por debajo de su temperatura de solidificación, debido a la energía adicional requerida para formar las superficies de la interfaz. Luego recalecencias, o se calienta de nuevo a su temperatura de solidificación, para la etapa de crecimiento del cristal. La nucleación se produce 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 ser ventajoso porque las piezas de fundición de grano fino poseen mejores propiedades que las piezas de fundición de grano grueso. Se puede inducir una estructura de grano fino mediante refinamiento o inoculación del grano., que es el proceso de agregar impurezas para inducir la nucleación. [10]
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, la velocidad y el tipo de crecimiento se pueden controlar para maximizar las propiedades del molde. La solidificación direccional es cuando el material se solidifica en un extremo y procede a solidificar en el otro extremo; este es el tipo de crecimiento de grano más ideal porque permite que el material líquido compense la contracción. [10]
Curvas de enfriamiento [ editar ]
Las curvas de enfriamiento son importantes para controlar la calidad de una fundición. 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 fundición 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 una terminología definitoria. [11]
Tenga en cuenta que antes de la detención térmica el material es un líquido y después el material es un sólido; durante la detención térmica, el material se está convirtiendo de líquido a sólido. Además, tenga en cuenta que cuanto mayor sea el recalentamiento, más tiempo tendrá el material líquido para fluir en detalles intrincados. [12]
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 una detención térmica, sino un rango de congelación. El rango de congelación corresponde directamente al liquidus y solidus que se encuentran en el diagrama de fases para la aleación específica.
Regla de Chvorinov [ editar ]
El tiempo de solidificación local se puede calcular usando 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 la superficie de la pieza fundida que entra en contacto con el molde , n es una constante y B es la constante del molde. Es más útil para determinar si una contrahuella se solidificará antes de la fundición, porque si la contrahuella se solidifica primero, no tendrá ningún valor. [13]
El sistema de puerta [ editar ]
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 generalmente se unen a la parte más gruesa de la pieza fundida para ayudar a controlar la contracción. En piezas fundidas especialmente grandes, pueden ser necesarias múltiples puertas o correderas para introducir metal en más de un punto de la cavidad del molde. La velocidad del material es importante porque si el material se desplaza 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 la 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. [14]
El sistema de compuerta puede diseñarse para minimizar la turbulencia, dependiendo del material que se va a moldear. 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 turbulentos 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 copas 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 succionar gases y óxidos al 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 estrangulamiento, que es el área de sección transversal más pequeña en el sistema de compuerta utilizado para controlar el flujo, se puede colocar cerca del pozo del bebedero para ralentizar y suavizar el flujo. Tenga en cuenta que en algunos moldes, el estrangulador todavía se coloca en las compuertas para facilitar la separación de la pieza, pero induce una turbulencia extrema. [15] Las compuertas suelen estar unidas a la parte inferior de la pieza fundida para minimizar las turbulencias y las salpicaduras. [14]
El sistema de compuerta también puede diseñarse para atrapar la escoria. Un método consiste en aprovechar el hecho de que algo de escoria tiene una densidad más baja 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 de la parte inferior de los corredores pueden atrapar escoria en los corredores; tenga en cuenta que las guías largas y planas enfriarán el material más rápidamente que las guías redondas o cuadradas. Para materiales donde la escoria tiene una densidad similar al material base, como aluminio, extensiones de canal y pozos de canalpuede ser ventajoso. Éstos aprovechan el hecho de que la escoria generalmente se ubica al comienzo del vertido, por lo tanto, el corredor se extiende más allá de la (s) última (s) compuerta (s) y los contaminantes están contenidos en los pozos. También se pueden usar pantallas o filtros para atrapar contaminantes. [15]
Es importante mantener el tamaño del sistema de compuerta pequeño, porque todo debe cortarse del molde y volver a fundirse para poder reutilizarlo. La eficiencia, o rendimiento , de un sistema de fundición se puede calcular dividiendo el peso de la fundición por el peso del metal vertido. Por lo tanto, cuanto mayor sea el número, más eficiente será el sistema de compuerta / elevadores. [dieciséis]
Contracción [ editar ]
Hay tres tipos de contracción: contracción del líquido , contracción por solidificación y contracción del patrón . 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 como líquido que como sólido, por lo que durante la solidificación la densidad del metal aumenta drásticamente. La contracción de Patternmaker se refiere a la contracción que ocurre cuando el material se enfría desde la temperatura de solidificación a la temperatura ambiente, lo que ocurre debido a la contracción térmica . [17]
Contracción por solidificación [ editar ]
| Metal | Porcentaje |
|---|---|
| Aluminio | 6.6 |
| Cobre | 4.9 |
| Magnesio | 4.0 o 4.2 |
| Zinc | 3.7 o 6.5 |
| Acero bajo en carbono | 2,5–3,0 |
| Acero de alto carbono | 4.0 |
| Hierro fundido blanco | 4.0–5.5 |
| Hierro fundido gris | −2,5–1,6 |
| Fundición dúctil | −4,5–2,7 |
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 contraen 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), [20] 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 rangos de solidificación estrechos. Estos materiales tienden a formar una piel en moldes al aire libre, por lo que se conocen como aleaciones formadoras de piel . [20]Para materiales con un amplio rango de congelación, superior a 110 ° C (230 ° F), [20] mucho más de la fundición ocupa la zona blanda o fangosa (el rango de temperatura entre el solidus y el liquidus), lo que conduce a pequeñas bolsas de líquido atrapado a lo largo y finalmente porosidad. Estas piezas de fundición tienden a tener poca ductilidad , tenacidad y resistencia a la fatiga . Además, para que estos tipos de materiales sean estancos a los fluidos, se requiere una operación secundaria para impregnar la pieza fundida con un metal o resina de menor punto de fusión. [18] [21]
Para los materiales que tienen rangos de solidificación estrechos, las tuberías se pueden superar diseñando la fundición para promover la solidificación direccional, lo que significa que la fundición se congela primero en el punto más alejado de la puerta y luego se solidifica progresivamente hacia la puerta. 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 el material final se solidifica, pero si se diseña correctamente, esto será en el sistema de compuerta o tubo ascendente. [18]
Elevadores y ayudas para elevadores [ editar ]
Los elevadores, también conocidos como alimentadores , son la forma más común de proporcionar solidificación direccional. Suministra metal líquido a la pieza de solidificación para compensar la contracción de la solidificación. Para que una contrahuella funcione correctamente, la contrahuella debe solidificarse después de la fundición; de lo contrario, no puede suministrar metal líquido para contraerse dentro de la fundición. Los elevadores añaden costo a la fundición porque reducen el rendimiento de cada fundición; es decir, se pierde más metal como chatarra en cada fundición. Otra forma de promover la solidificación direccional es agregando escalofríos al molde. Un frío es cualquier material que alejará el calor de la pieza fundida más rápidamente que el material utilizado para moldear. [22]
Los elevadores se clasifican según tres criterios. La primera es si la contrahuella está abierta a la atmósfera, si lo está, entonces se llama una contrahuella abierta , de lo contrario se conoce como tipo ciego . El segundo criterio es dónde se ubica la contrahuella; si está ubicado en el bastidor, se conoce como contrahuella superior y si está ubicado al lado del bastidor se conoce como contrahuella lateral . Finalmente, si la contrahuella está ubicada en el sistema de compuerta para que se llene después de la cavidad de la moldura, se conoce como una contrahuella en vivo o una contrahuella caliente , pero si la contrahuella se llena con materiales que ya han pasado a través de la cavidad de la moldura, se conoce como un elevador muerto o elevador frío .[dieciséis]
Las ayudas para las contrahuellas son elementos que se utilizan para ayudar a las contrahuellas a crear una 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 va a verter, que se colocan dentro de la cavidad del molde y pasan a formar parte de la fundición. También se pueden instalar fundas y cubiertas aislantes alrededor de la cavidad de la contrahuella para ralentizar la solidificación de la contrahuella. También se pueden instalar bobinas calefactoras alrededor o por encima de la cavidad del elevador para retardar la solidificación. [23]
Loque del patronista [ editar ]
| Metal | Porcentaje | pulg / pie |
|---|---|---|
| Aluminio | 1.0–1.3 | 1 ⁄ 8 - 5 ⁄ 32 |
| Latón | 1,5 | 3 ⁄ 16 |
| Magnesio | 1.0–1.3 | 1 ⁄ 8 - 5 ⁄ 32 |
| Hierro fundido | 0,8-1,0 | 1 ⁄ 10 - 1 ⁄ 8 |
| Acero | 1,5–2,0 | 3 ⁄ 16 - 1 ⁄ 4 |
La contracción después de la solidificación se puede tratar utilizando un patrón de gran tamaño diseñado específicamente para la aleación utilizada. La contracción regla s , o reducir el tamaño de la regla s , son utilizados para hacer los patrones de gran tamaño para compensar este tipo de contracción. [24] Estas reglas tienen un tamaño de hasta un 2,5%, según el material que se va a moldear. [23] Se hace referencia a estos gobernantes principalmente por su cambio porcentual. Un patrón hecho para coincidir 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 de patrones usaría una regla de contracción, asegurando que la pieza se contraería al tamaño correcto.
Tenga en cuenta que la contracción del patrón no tiene en cuenta las transformaciones de cambio de fase. Por ejemplo, las reacciones eutécticas, las reacciones martensíticas y la grafitización pueden causar expansiones o contracciones. [24]
Cavidad del molde [ editar ]
La cavidad del molde de una pieza fundida no refleja las dimensiones exactas de la pieza acabada debido a varias razones. Estas modificaciones en la cavidad del molde se conocen como tolerancias y tienen en cuenta la contracción, el estiramiento, el mecanizado y la distorsión del patrón. En los procesos no fungibles, estas tolerancias se imparten directamente en el molde permanente, pero en los procesos de moldes consumibles se imparten en los patrones, que luego forman la cavidad del molde. [24] Nótese que para los moldes no fungibles se requiere un margen para el cambio dimensional del molde debido al calentamiento a las temperaturas de operación. [25]
Para las superficies de la fundición que son perpendiculares a la línea de partición del molde, se debe incluir un borrador. Esto es para que la fundición se pueda liberar en procesos no fungibles o el patrón se pueda desprender 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 calado no es inferior al 1%. [24]
La tolerancia de mecanizado varía drásticamente de un proceso a otro. Las fundiciones 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, el tiro puede proporcionar suficiente margen de mecanizado para empezar. [25]
El margen de distorsión solo es necesario para determinadas geometrías. Por ejemplo, las piezas fundidas en forma de U tenderán a deformarse con las patas extendidas hacia afuera, porque la base de la forma puede contraerse mientras que las patas están constreñidas por el molde. Esto se puede superar diseñando la cavidad del molde para inclinar la pata hacia adentro para empezar. 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. [25]
Los núcleos se pueden usar en procesos de moldes desechables para producir características internas. El núcleo puede ser de metal pero generalmente se realiza en arena.
Relleno[ editar ]
Esta sección necesita expansión . Puede ayudar agregando más . ( Febrero de 2010 ) |
Existen algunos métodos comunes para llenar la cavidad del molde: gravedad , baja presión , alta presión y vacío . [26]
El llenado al vacío, también conocido como llenado por contra-gravedad , es más eficiente con el metal que el vertido por gravedad porque se solidifica menos material en el sistema de compuerta. El vertido por gravedad solo 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 de 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 en cada complejidad del molde. Finalmente, se pueden utilizar temperaturas más bajas, lo que mejora la estructura del grano. [26] La primera máquina y proceso de colada al vacío patentado data de 1879.[27]
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 cualquier líquido restante regresa al crisol, lo que aumenta el rendimiento. [28]
Llenado de inclinación[ editar ]
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 ingrese a 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 se gira lo suficientemente lento como para no inducir turbulencias, el frente de la corriente de metal comienza a solidificarse, lo que da como resultado errores de funcionamiento. Si el sistema gira más rápido, induce turbulencias, lo que frustra el propósito. Durville de Francia fue el primero en probar el tilt casting, en el siglo XIX. Trató de usarlo para reducir los defectos de la superficie al fundir monedas de bronce de aluminio .[29]
Macroestructura [ editar ]
La macroestructura del grano en los lingotes y 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 del molde. Se trata de columnas delgadas y largas que son perpendiculares a la superficie de la fundición, que no son deseables porque tienen propiedades anisotrópicas . Finalmente, en el centro, la zona equiaxial contiene cristales esféricos orientados aleatoriamente. Estos son deseables porque tienen propiedades isotrópicas . La creación de esta zona se puede promover utilizando una temperatura de vertido baja, inclusiones de aleación o inoculantes . [13]
Inspección [ editar ]
Los métodos de inspección comunes para las piezas de acero son las pruebas de partículas magnéticas y las pruebas de líquidos penetrantes . [30] métodos de inspección comunes para piezas de fundición de aluminio son la radiografía , pruebas de ultrasonido , y las pruebas de líquidos penetrantes . [31]
Defectos [ editar ]
Hay una serie de problemas que pueden surgir durante el proceso de fundición. Los principales tipos son los siguientes: porosidad gas , defectos de contracción , de molde defectos materiales , defectos de colada de metal , y defectos metalúrgicos .
Simulación del proceso de fundición [ editar ]
La simulación del proceso de fundición utiliza métodos numéricos para calcular la calidad de los componentes de fundición considerando el llenado, solidificación y enfriamiento del molde, y proporciona una predicción cuantitativa de las propiedades mecánicas de fundición, tensiones térmicas y distorsión. La simulación describe con precisión la calidad de un componente fundido desde el principio 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 una reducción en el muestreo de preproducción, ya que el diseño preciso del sistema de fundición completo también conduce a ahorros de energía, material y herramientas.
El software ayuda al usuario en el diseño de componentes, la determinación de la práctica de fusión y el método 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 piezas fundidas.
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 tecnología de fundición de los últimos 50 años. Desde finales de los 80, existen programas comerciales que hacen posible que las fundiciones obtengan una nueva perspectiva de lo que sucede dentro del molde o matriz durante el proceso de fundición.
Ver también [ editar ]
- Escultura de bronce
- Obra ornamental de bronce y latón
- Forjar
- Sellado de porosidad
- Spin casting
- Formación por pulverización
- Fundición
Referencias [ editar ]
Notas [ editar ]
- ^ Degarmo, Black y Kohser 2003 , p. 277
- ^ https://www.afsinc.org/about-metalcasting
- ^ Degarmo, Black y Kohser 2003 , p. 278
- ^ Schleg y col. 2003 , capítulos 2 a 4.
- ↑ a b Kalpakjian y Schmid, 2006 .
- ^ Degarmo, Black y Kohser 2003 , p. 315
- ^ Procesamiento semisólido de aleaciones y compuestos de la décima conferencia internacional, Eds. G. Hirt, A. Rassili & A. Buhrig-Polaczek, Aquisgrán Alemania y Lieja, Bélgica, 2008
- ^ Degarmo, Black y Kohser 2003 , págs. 278–279
- ^ Degarmo, Black & Kohser 2003 , págs. 279-280
- ↑ a b Degarmo, Black & Kohser , 2003 , p. 280
- ^ Degarmo, Black y Kohser 2003 , págs. 280–281
- ^ Degarmo, Black y Kohser 2003 , p. 281
- ↑ a b Degarmo, Black & Kohser , 2003 , p. 282
- ↑ a b Degarmo, Black & Kohser , 2003 , p. 284
- ↑ a b Degarmo, Black & Kohser , 2003 , p. 285
- ↑ a b Degarmo, Black & Kohser , 2003 , p. 287
- ^ Degarmo, Black y Kohser 2003 , págs. 285–286
- ↑ a b c Degarmo, Black & Kohser 2003 , p. 286
- ^ Stefanescu , 2008 , p. 66.
- ↑ a b c Stefanescu , 2008 , p. 67.
- ^ Porter, David A .; Easterling, KE (2000), Transformaciones de fase en metales y aleaciones (2ª ed.), CRC Press, p. 236, ISBN 978-0-7487-5741-1.
- ^ Degarmo, Black y Kohser 2003 , págs. 286–288.
- ↑ a b Degarmo, Black & Kohser , 2003 , p. 288
- ↑ a b c d e Degarmo, Black & Kohser 2003 , p. 289
- ↑ a b c Degarmo, Black & Kohser 2003 , p. 290
- ↑ a b Degarmo, Black & Kohser , 2003 , págs. 319–320.
- ↑ Iron and Steel Institute (1912), Revista del Iron and Steel Institute , 86 , Iron and Steel Institute, p. 547.
- ^ Lesko, Jim (2007), Diseño industrial (2ª ed.), John Wiley and Sons, p. 39, ISBN 978-0-470-05538-0.
- ^ Campbell, John (2004), Práctica de fundición: las 10 reglas de fundición , Butterworth-Heinemann, págs. 69-71, ISBN 978-0-7506-4791-5.
- ^ Blair y Stevens 1995 , p. 4‐6.
- ^ Kissell y Ferry 2002 , p. 73.
Bibliografía [ editar ]
- Blair, Malcolm; Stevens, Thomas L. (1995), Manual de piezas de fundición de acero (6.a ed.), ASM International, ISBN 978-0-87170-556-3.
- Degarmo, E. Paul; Black, J T .; Kohser, Ronald A. (2003), Materiales y procesos en la fabricación (9a ed.), Wiley, ISBN 0-471-65653-4.
- Kalpakjian, Serope; Schmid, Steven (2006), Ingeniería y tecnología de fabricación (5.a ed.), Pearson, ISBN 0-13-148965-8.
- Kissell, J. Randolph; Ferry, Robert L. (2002), Estructuras de aluminio: una guía para sus especificaciones y diseño (2a ed.), John Wiley and Sons, ISBN 978-0-471-01965-7.
- Schleg, Frederick P .; Kohloff, Frederick H .; Sylvia, J. Gerin; American Foundry Society (2003), Tecnología de fundición de metales , American Foundry Society, ISBN 978-0-87433-257-5.
- Stefanescu, Doru Michael (2008), Ciencia e ingeniería de la solidificación de la fundición (2a ed.), Springer, ISBN 978-0-387-74609-8.
- Ravi, B (2010), Fundición de metales: diseño y análisis asistidos por computadora (1a ed.), PHI, ISBN 978-81-203-2726-9.
Enlaces externos [ editar ]
 | Wikimedia Commons tiene medios relacionados con el casting . |
- Ejemplos de diseño / fabricación de fundición interactiva
- ¿Fundiciones o forjas? Una mirada a las ventajas de cada proceso de fabricación
- Videoclip de solidificación de una aleación de fundición por arco de 50 gramos
- Hitos en la historia del casting
