MÉTODOS DE FUNDICIÓN O COLADA - UNAM

1 CAP TULO 2 M TODOS DE FUNDICI N O COLADA CONCEPTOS GENERALES En el proceso de fundici n, el metal fundido fluye por gravedad u otra fuerza dentro de un molde donde se solidifica y toma la forma de la cavidad del molde (figura ). El t rmino fundici n se aplica tambi n a la parte resultante de este proceso. Es uno de los m s antiguos procesos de formado que se remonta 6 mil a os atr s. El principio de la fundici n es simple: se funde el metal, se vac a en un molde y se deja enfriar. FIGURA Descripci n esquem tica del proceso de COLADA La fundici n incluye la producci n de lingotes y la fundici n de piezas de forma particular. El t rmino lingote se asocia usualmente con las industrias de metales primarios; describe la producci n de una pieza generalmente grande de forma simple, dise ada para volver a formarse en procesos subsiguientes como laminado o forjado.

2 La producci n de piezas de geometr a MODELADO DE PROCESOS DE MANUFACTURA 16 compleja involucra la producci n de elementos que solo ser n modificados, en su geometr a y dimensiones, mediante procesos con arranque de viruta. Existen diversos m todos utilizados en la producci n de piezas de geometr a irregular, lo cual hace de este proceso uno de los m s vers tiles en manufactura. Sus posibilidades y ventajas son las siguientes: La fundici n se puede usar para crear partes de geometr a compleja (figura ) Algunos procesos de fundici n pueden producir partes de forma neta que no requieren operaciones subsecuentes para llenar los requisitos geom tricos y dimensionales de la pieza. Se puede usar la fundici n para producir partes muy grandes. Se han fabricado piezas fundidas que pesan m s de 100 toneladas. El proceso de fundici n puede realizarse en cualquier metal o aleaci n que pueda calentarse y pasar al estado l quido.

3 En este caso el proceso est limitado a materiales con temperaturas de fusi n menores a los 1750 C, por lo que los metales refractarios no son procesados mediante estas t cnicas. La factibilidad de aproximarse a la geometr a y dimensiones finales vuelve a los procesos de fundici n una opci n muy econ mica en el caso de que el dise o conlleve a una geometr a irregular. No obstante, tambi n hay desventajas asociadas con la fundici n y sus diferentes m todos. stas incluyen la porosidad y las propiedades mec nicas inherentes al proceso de solidificaci n y enfriamiento. Las piezas de fundici n fluct an en tama o, desde peque os componentes que pesan solamente unos cuantos gramos hasta grandes productos de m s de 100 toneladas. La lista incluye coronas dentales, joyer a, estatuas, estufas de hierro fundido, bloques y cabezas para motores automotrices, bases para m quinas, ruedas para ferrocarril, utensilios de cocina, carcasas para bombas.

4 Se pueden fundir casi todas las variedades de metales ferrosos y no ferrosos. CAP TULO 2. M TODOS DE FUNDICI N O COLADA 17 FIGURA Algunos ejemplos de piezas obtenidas por fundici n Para llevar a cabo un proceso de fundici n se requiere del metal l quido y el molde o matriz en que se depositar el metal (figura ). Es por consecuencia que al analizar el proceso es necesario referirse al molde o matriz, sus materiales, duraci n y su producci n; al metal l quido y a las t cnicas de fusi n utilizadas, tipo de hornos y mecanismos de preparaci n y desgasificaci n. FIGURA Etapas principales del proceso de fundici n Materias primas componentes de la aleaci n Preparaci n del material de moldeo Vaciado Fusi n Limpieza y desbarbado Pieza terminada Enfriamiento y desmoldeo Dise o de la pieza Elaboraci n del molde Moldeo MODELADO DE PROCESOS DE MANUFACTURA 18 Tipos de molde La cavidad en donde se deposita el metal recibe el nombre de molde o matriz y est en funci n de su duraci n.

5 Si s lo permitir un vaciado y posteriormente se destruye se denomina como molde, mientras que el t rmino matriz corresponde con aquel molde que permite m s de una operaci n de vaciado. Si la duraci n de la matriz es de unas cuantas operaciones se considera como semipermanente, mientras que si su duraci n es mayor a las 1000 operaciones de vaciado se denomina como permanente. En el caso de COLADA en molde desechable el proceso de fundici n se inicia con la producci n de un molde, para lo cual se requiere de un modelo de la forma y dimensiones de la pieza a producir. Usualmente el molde contiene una o varias cavidades cuya forma geom trica determina la forma de la parte a fundir. La cavidad debe ser ligeramente sobredimensionada, esto permitir compensar la contracci n del metal durante la solidificaci n y enfriamiento; asimismo, se deber n considerar sobre-espesores para el maquinado de aquellas superficies que as lo demanden.

6 Los moldes se producen de varios materiales que incluyen arena, yeso y cer mica. Los procesos de fundici n se clasifican frecuentemente de acuerdo con los diferentes tipos de moldes. El modelo es la pieza que se pretende reproducir, pero con algunas modificaciones derivadas de la naturaleza del proceso de fundici n: Debe ser ligeramente m s grande que la pieza final, ya que se debe tener en cuenta la contracci n de la misma una vez se haya enfriado a temperatura ambiente. El porcentaje de contracci n estar asociado con el material a vaciar en el molde. Como ya ha sido mencionado, a esta dimensi n se debe dar una sobre medida en los casos en el que se d un proceso adicional de maquinado o acabado por arranque de viruta. Las superficies del modelo deber n respetar unos ngulos m nimos con la direcci n de desmoldeo (la direcci n en la que se extraer el modelo), con objeto de no da ar el molde de arena durante su extracci n.

7 Este ngulo se denomina ngulo de salida, que generalmente es del orden de a 2 . En el caso de que el modelo se extraiga de la cavidad en forma l quida (fundici n a la cera perdida) o gaseosa (lost foam casting o COLADA sin cavidad) no se requerir de ngulos de salida. CAP TULO 2. M TODOS DE FUNDICI N O COLADA 19 Para permitir que el metal llene la cavidad del molde ser necesario contar con canales de alimentaci n (coladas) y elementos que garanticen que la solidificaci n termina en zonas externas a la pieza (mazarotas). Asimismo, el molde contendr cavidades para la colocaci n de los machos o corazones (los cuales permiten generar cavidades complejas en la pieza fundida). Producci n del modelo Los modelos (figura ) deben de ser resistentes a la compresi n, humedad o temperatura (esto de acuerdo con el proceso de moldeo seleccionado), en ocasiones pueden servir para la producci n de una sola pieza (modelos desechables) como es el caso de las t cnicas de COLADA sin cavidad (lost foam casting) o a la cera perdida (precisi n casting); en los que son producidos de poliestireno expandido o una mezcla de parafina con polietileno, respectivamente.

8 Lo m s usual es que el modelo sirva para varias operaciones de moldeo; en este caso se puede emplear desde madera o pl sticos, como el uretano hasta metales como el aluminio o el hierro fundido. (a) (b) (c) (d) MODELADO DE PROCESOS DE MANUFACTURA 20 (e) (f) (g) (h) FIGURA Modelos para fundici n: (a) Impulsor, (b, c) V lvula de compuerta de 36 , (d, e) Caja de machos o coraz n para la v lvula de exclusa, (f) Modelo de espuma de poliestireno para un block de motor de 4 cilindros, (g) Placa modelo para proceso Shell, (h) Modelo de aluminio para rotor Usualmente se fabrican dos semimodelos correspondientes a sendas partes del molde que es necesario fabricar. Existen m todos de fundici n en los que el molde es permanente (figura ), d ndosele la denominaci n de matriz, tal es el caso de los procesos de fundici n a presi n (pressure casting), COLADA por gravedad en matriz (die casting) y COLADA a baja presi n (low pressure die casting).

9 En el caso de que los moldes sean desechables (arena, c scara cer mica o yeso), normalmente el llenado ser por acci n de la gravedad. CAP TULO 2. M TODOS DE FUNDICI N O COLADA 21 (a) (b) FIGURA Matrices, (a) COLADA por gravedad, (b) Inyecci n En general, los procesos de fundici n con molde no permanente requieren en primera instancia de la generaci n del molde lo cual consiste de: a. Compactaci n de la arena alrededor del modelo. Operaci n que puede ser manual o mec nica (generalmente por medios autom ticos mediante sistemas neum ticos). b. Si la pieza que se quiere fabricar es hueca, ser necesario disponer machos o corazones que eviten que el metal fundido rellene dichas cavidades. Para la fabricaci n del coraz n se emplean t cnicas (c scara, caja caliente, CO2) de aglomerado que garanticen una mayor resistencia (dadas las dimensiones de stos), una vez formados y endurecidos se proceder a su colocaci n, para el posterior cerrado del molde.

10 MODELADO DE PROCESOS DE MANUFACTURA 22 FIGURA En la imagen superior de la izquierda se puede observar el modelo, su coraz n de arena y la pieza ya vaciada todav a con sistema de alimentaci n. Por su parte a la derecha arriba se observa un conjunto ya vaciado, as como diversas piezas una vez retiradas de la COLADA . Abajo a la izquierda se observa un molde de arena con las piezas que obtienen de ste. En la figura inferior derecha observa una cabeza de un motor diesel. Una vez terminado el molde e instalados los machos (corazones) se produce, el colado del metal l quido, para que una vez que ste se ha solidificado y enfriado hasta una temperatura en que se pueda manipular sin mayor inconveniente, se proceda al desmoldeo, limpieza y corte de coladas y mazarotas. La etapa de enfriamiento y solidificaci n es cr tica en todo el proceso, ya que un enfriamiento excesivamente r pido puede provocar tensiones mec nicas en la pieza, e incluso la aparici n de grietas, mientras que si es demasiado lento disminuye la productividad.