Fundamentos de Procesos de Fundición de Metales

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1 Fundamentos de Procesos de Fundición de Metales
Por:

2 PROCESOS DE SOLIDIFICACION
Es aquel en que el material se encuentra en forma líquida o en condición muy plástica, y se crea un objeto a través de su solidificación. Procesos de solidificación Fundición de metales Cerámicos y vidrios Procesamiento de Polímeros y PCM

3 Se deja enfriar el metal
¿Qué es la fundición? La fundición es un proceso de manufactura en el que el metal derretido fluye por gravedad hacia un molde en el que se solidifica con la forma de la cavidad de éste. Se derrite el metal Se vierte en el molde Se deja enfriar el metal

4 Tipos de fundición Lingotes

5 Tipos de fundición Fundiciones de forma

6 PROCESOS DE FUNDICIÓN (VENTAJAS)
Se utiliza para crear formas complejas. Se obtiene piezas de forma neta o casi neta. Se emplea para producir piezas grandes. Se utiliza en cualquier metal que pueda calentarse hasta el estado liquido. Algunos métodos de fundición son apropiados para fundición en masa.

7 PROCESOS DE FUNDICIÓN (DESVENTAJAS)
Limitaciones en las propiedades mecánicas, porosidad, exactitud dimensional y acabado de la superficie para ciertos procesos Peligros al personal por las ALTAS temperaturas.

8 Procesos de fundición Fundidora

9 Procesos de fundición Fundidores

10 PROCESOS DE FUNDICIÓN El molde es un elemento que contiene una cavidad cuya configuración geométrica determina la forma de la pieza fundida. Molde abierto Molde cerrado

11 PROCESOS DE FUNDICIÓN De acuerdo al tipo de molde los procesos de fundición se clasifican en: Molde desechable: el molde en que se solidifica el metal derretido debe destruirse para retirar el material fundido. (arena, yeso o materiales similares) Molde permanente. es el que se utiliza una y otra vez para producir muchos fundidos. (metal o material refractario cerámico)

12 PROCESOS DE FUNDICIÓN Molde para fundición en arena.

13 Procesos de fundición Molde en arena, se llena el marco superior y el marco inferior la arena queda con aglutinante para que no se pierda la forma. Las cavidades del molde proporcionan las superficies externas de la pieza fundida y si hay superficies internas de las piezas, quedan determinadas por un núcleo.

14 PROCESOS DE FUNDICIÓN Elementos presentes en el Molde para fundición en arena.

15 PROCESOS DE FUNDICIÓN Elementos presentes en el Molde para fundición en arena.

16 PROCESOS DE FUNDICIÓN Pasos para la fundición en arena.
Colocar un modelo con la forma de la pieza deseada en arena para crear una impresión. Incorporar un sistema de alimentación. Llenar la cavidad resultante de metal fundido. Dejar que el metal se enfríe hasta que se solidifique. Romper el molde de arena. Retirar la fundición.

17 PROCESOS DE FUNDICIÓN Molde para fundición en arena.

18 PROCESOS DE FUNDICIÓN Molde para fundición en arena.

19 PROCESOS DE FUNDICIÓN Calentamiento del metal. Se requiere calentar el metal a una temperatura mayor que la de fusión y luego verterse a la cavidad del molde para que solidifique. H = calor total que se requiere para subir la temperatura del metal a la temperatura que se vierte, J (Btu)  = densidad del material, g/cm3 (lbm/in3) V = volumen del metal que se calienta, cm3 (in3) Cs=Calor especifico por peso para el metal sólido, J/g-°C (Btu/lbm-°F) Tm = Temperatura de fusión del metal, °C (°F) To = Temperatura de inicio, ambiental, °C (°F) Hf = Calor de fusión, J/g (Btu/lbm) Cl = Calor especifico por peso para el metal líquido, J/g-°C (Btu/lbm-°F) Tp = Temperatura de vertido, °C (°F)

20 PROCESOS DE FUNDICIÓN Ejercicio de aplicación.
Un metro cúbico de cierta aleación eutéctica se calienta en un crisol, desde la temperatura ambiente a 100°C por arriba de su punto de fusión para fundirlo. La densidad de la aleación es de 7.5 g/cm3, el punto de fusión es de 800°C, calor especifico de 0.33 J/g-°C en estado sólido, 0.29 J/g-°C en estado líquido; y el calor de fusión es de 160 J/g. ¿Cuánta energía calorífica debe agregarse para completar el calentamiento si se supone que no pérdidas?

21 PROCESOS DE FUNDICIÓN El empleo de esta ecuación es complicado por los siguientes factores: El calor especifico y otras propiedades térmicas del metal sólido varían con la temperatura, en especial si el material sufre un cambio de fase. El calor especifico de un metal puede ser diferente en los estados sólido y liquido. La mayoría de los metales que se funden son aleaciones, y la mayor parte de estas se funden por arriba de una temperatura que varia entre sólido y liquido, más bien que con un solo punto de fusión.

22 PROCESOS DE FUNDICIÓN El empleo de esta ecuación es complicado por los siguientes factores: En la mayoría de los casos no se disponen de los valores apropiados que se requieren en la ecuación para una aleación particular. Existen perdidas de caloríficas significativas hacia el ambiente durante el calentamiento.

23 PROCESOS DE FUNDICIÓN Vertido del metal fundido.
El metal debe fluir hacia todas las regiones del molde antes de solidificarse. Factores que afectan la etapa de vertido: Temperatura del vertido es aquella que tiene el metal derretido cuando se introduce en el molde. Velocidad de vertido se refiere a la tasa volumétrica a la que se vierte el metal fundido al molde. La turbulencia en el flujo se caracteriza por variaciones erráticas en la magnitud y dirección de la velocidad en el fluido.

24 PROCESOS DE FUNDICIÓN Análisis de ingeniería del vertido.
Se aplica el teorema de Bernoulli, el cual establece que la altura, presión dinámica, energía cinética y fricción en dos puntos cualesquiera de un líquido que fluye son iguales.

25 PROCESOS DE FUNDICIÓN Análisis de ingeniería del vertido.
Por la ley de continuidad que establece: Si se desea mantener la misma velocidad de flujo volumétrico Q (cm3/s, in3/s) en la parte superior y en el fondo del bebedero, se debe reducir su área, debido a que v2 > v1. Se puede estimar un tiempo mínimo de llenado del molde TMF. TMF : Tiempo de llenado del molde (s) V: volumen de la cavidad del molde (cm3, in3) Q: velocidad de flujo volumétrica del molde (cm3/s, in3/s)

26 PROCESOS DE FUNDICIÓN Ejercicio de aplicación 10.3
El bebedero que conduce al vaciadero de cierto molde tiene una longitud de 175 mm. El área de la sección transversal en la base del bebedero es de 400 mm2. La cavidad del molde tiene un volumen de m3. Determine a) la velocidad del metal fundido que fluye a través de la base del bebedero, b) el gasto volumétrico y c) el tiempo que se requiere para llenar la cavidad del molde.

27 PROCESOS DE FUNDICIÓN SOLIDIFICACION Y ENFRIAMIENTO
La solidificación involucra la transformación del metal derretido al nuevo estado sólido. El proceso difiere en función de si el metal es un elemento puro o una aleación. Curva de enfriamiento para un metal puro durante la fundición, se observa la temperatura constante de solidificación

28 Ing. Edwin Alvarez V. Procesos de Fabricación
PROCESOS DE FUNDICIÓN SOLIDIFICACION Y ENFRIAMIENTO. Solidificación para una aleación. Ing. Edwin Alvarez V Procesos de Fabricación

29 PROCESOS DE FUNDICIÓN SOLIDIFICACION Y ENFRIAMIENTO.
Schematic illustration of three cast structures of metals solidified in a square mold: (a) pure metals; (b) solid-solution alloys; and (c) structure obtained by using nucleating agents. Source: G. W. Form, J. F. Wallace, J. L. Walker, and A. Cibula.

30 PRINCIPIOS DE ENDURECIMIENTO POR SOLIDIFICACION Y PROCESAMIENTO

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32 PROCESOS DE FUNDICIÓN Fluidez.
Es la medida de la capacidad de un metal para fluir hacia un molde y llenarlo antes de solidificarse. La fluidez es el inverso de la viscosidad.

33 PROCESOS DE FUNDICIÓN Factores que afectan la fluidez:
Temperatura de vertido respecto al punto de fusión. Un temperatura elevada por encima de la solidificación aumenta el tiempo en estado liquido, permitiendo una mayor fluidez La composición del metal, la mejor fluidez se obtiene con metales que solidifican a temperatura constante.

34 PROCESOS DE FUNDICIÓN Factores que afectan la fluidez:
La viscosidad del metal, se tendrá una mayor fluidez si es menos viscoso el metal en estado liquido. La transferencia de calor al ambiente, medida por el calor de fusión, que es la cantidad de calor que se requiere retirar para solidificar el metal. Un calor de fusión elevado tiende a incrementar la fluidez de la fundición.

35 PROCESOS DE FUNDICIÓN Fluidez.
Se mide con una prueba del molde en espiral, en la que se mide como la longitud del canal espiral se llena antes de que ocurra la solidificación.

36 PROCESOS DE FUNDICIÓN CONTRACCIÓN.
Durante la solidificación y enfriamiento ocurre un fenómeno de contracción sobre el metal fundido, el cual ocurre en tres etapas: Contracción liquida durante el enfriamiento antes de la solidificación. (0.5%)

37 PROCESOS DE FUNDICIÓN Contracción.
Contracción durante el cambio de fase de liquida a sólida, llamada contracción por solidificación. Contracción térmica del fluido durante el enfriamiento a temperatura ambiente.

38 Ing. Edwin Alvarez V. Procesos de Fabricación
PROCESOS DE FUNDICIÓN Contracción. La contracción por solidificación ocurre en casi todos los metales porque la fase sólida tiene una densidad mayor que la liquida. Ing. Edwin Alvarez V Procesos de Fabricación

39 PROCESOS DE FUNDICIÓN Por la presencia de contracciones el molde debe realizarse más grande que el tamaño final, la cual se denomina tolerancia por contracción del modelo. Los rechupes se minimizan utilizando la Mazarota, la cual es un almacenamiento en el molde que sirve de fuente de metal liquido para que el fundido compense la contracción durante la solidificación. La mazarota debe estar diseñada para que solidifique después del fundido principal a fin de que cumpla su función.

40 PROCESOS DE FUNDICIÓN Tiempo de solidificación.
Es el tiempo que se requiere para que el fundido se solidifique después del vertido. Este tiempo depende del tamaño y la forma del fundido, en una relación empírica conocida como regla de Chvorinov. TTS : tiempo total de solidificación, (min) Cm : es la constante del molde (min/cm2,min/in2) V : volumen del fundido, (cm3, in3) A: área de la superficie del fundido, (cm2, in2) n : por lo general tiene un valor de 2 Cm depende material del molde, propiedades térmicas del metal que se funde y la temperatura de vertido, obtenidos experimentalmente.

41 Ejemplo Debe diseñarse una mazarota cilíndrica para un molde de fundición en arena. La fundición es una placa rectangular de acero con dimensiones m x X m. En observaciones previas se ha indicado que el tiempo de solidificación total (TST ) para esta fundición = 1.6 min. La mazarota cilíndrica tendrá una relación de diámetro a altura de 1.0. Determine la dimensión que la mazarota de manera que TST = 2.0 minutos. Solución: Determine primero la relación V/A para la placa. Su volumen V = x x = m3, y la superficie del área A = 2( x x x ) = m2. Dado que TST = 1.6 min podemos determinar la constante del molde Cm mediante la ecuación de chvorinov usando un valor de n = 2 en la ecuación.

42 Ejemplo Se resuelve para TST de 2 y D/h=1

43 PROCESOS DE FUNDICIÓN FUNDICION MOLDES DESECHABLES MOLDES PERMANENTES
ARENA CERAMICO GRAFITO ACERO HIERRO GRIS

44 PROCESOS DE FUNDICIÓN TIPOS DE MOLDES DE ARENA.
Existen tres tipos básicos de moldes de arena: Arena verde: es el más común y es una mezcla de arena de sílice (SiO2) 90%, arcilla 7% y agua 3%. Arena seca: se mezclan aglutinantes orgánicos e inorgánicos en la arena en lugar de arcilla para unir más los granos y hacerlo más resistente. Luego se cuece en un horno a 200°C a 320°C No cocido: se mezcla una resina sintética líquida con la arena y la mezcla se endurece a temperatura ambiente.(furanos, fenoles, aceites alquidalicos)

45 PROCESOS DE FUNDICIÓN Características de calidad de los moldes de arena. Resistencia: capacidad para mantener su forma. Permeabilidad: capacidad del molde de permitir el paso del aire a través de los vacíos de la arena. Estabilidad térmica: resistir el agrietamiento y la deformación ante el contacto con el metal fundido. Colapsabilidad: facilidad con que se quita la arena del fundido durante la limpieza.

46 PROCESOS DE FUNDICIÓN MODELOS PARA FUNDICION ARENA.
Los modelos se utilizan para moldear la mezcla de arena a la forma de la fundición. Pueden estar hechos de madera, polímero o metal. Por lo general los modelos son recubiertos con un agente separador para facilitar la extracción de los moldes. Los modelos pueden ser una sola pieza o de varias piezas, eso depende de la complejidad de la pieza deseada.

47 PROCESOS DE FUNDICIÓN MODELOS PARA FUNDICION ARENA.
Sólido Deslizamiento Placas ajustadas De capucha y base

48 PROCESOS DE FUNDICIÓN MODELOS PARA FUNDICION ARENA DE PLACAS AJUSTADAS.

49 Ing. Edwin Alvarez V. Procesos de Fabricación
PROCESOS DE FUNDICIÓN MAQUINAS PARA EL MODEO EN ARENA. Ing. Edwin Alvarez V Procesos de Fabricación

50 PROCESOS DE FUNDICIÓN MAQUINAS PARA EL MODEO EN ARENA.
Moldeo vertical sin caja

51 PROCESOS DE FUNDICIÓN OTROS PROCESOS DE FUNDICION CON MOLDES DESECHABLES. La diferencia radica en composición del material del molde o en el como se fabrica el molde. MOLDEO EN CASCARON O CONCHA Es un procesos en que el molde es un cascaron delgado (10mm o 3/8 in) hecho de arena y que se mantiene cohesionado por medio de un aglutinante de resina termofija. La superficie de la cavidad es más suave que la del molde convencional en arena verde, pero requiere de un modelo hecho en metal.

52 PROCESOS DE FUNDICIÓN MOLDEO EN CASCARON O CONCHA

53 PROCESOS DE FUNDICIÓN MOLDEO EN CASCARON O CONCHA

54 PROCESOS DE FUNDICIÓN MOLDEO EN CASCARON O CONCHA

55 PROCESOS DE FUNDICIÓN MOLDEO AL VACIO
Utiliza un molde de arena que se mantiene unido por medio de presión de vacío en lugar de emplear un aglutinante químico. Ventaja que tiene es que se recupera la arena, debido a que no se emplean aglutinantes. Como no se mezcla agua con arena el producto no tiene defectos relacionados con la humedad. La desventaja del proceso es relativamente lento y que no se adapta con facilidad a la mecanización.

56 PROCESOS DE FUNDICIÓN MOLDEO AL VACIO

57 PROCESOS DE FUNDICIÓN MOLDEO AL VACIO

58 PROCESOS DE FUNDICIÓN MOLDEO DE POLIESTIRENO EXPANDIDO
Usa un molde de arena compactada alrededor de un modelo de espuma de poliuretano que se vaporiza cuando el metal fundido se vierte en el molde. Otras nombres que recibe es: proceso de espuma perdida, proceso de patrón perdido, proceso de evaporación de espuma y proceso de molde lleno. Un ventaja significativa de este proceso es que el modelo no necesita retirarse del molde, pero a su vez se requiere un modelo nuevo para cada fundición.

59 PROCESOS DE FUNDICIÓN MOLDEO DE POLIESTIRENO EXPANDIDO
Se recubre con un compuesto refractario que proporciona una superficie más suave sobre él y mejorar la resistencia a la alta temperatura.

60 PROCESOS DE FUNDICIÓN FUNDICION POR REVESTIMIENTO
Se elabora un molde de cera y se recubre con un material refractario para formar el molde, después del cual se derrite la cera antes de verter el metal fundido. Las ventajas que presenta son: es posible fundir piezas de gran complejidad, se puede tener mucho control dimensional con un buen acabado superficial, se puede recuperar la cera utilizada. La desventaja es que un proceso relativamente caro.

61 PROCESOS DE FUNDICIÓN FUNDICION POR REVESTIMIENTO

62 PROCESOS DE FUNDICIÓN FUNDICION POR REVESTIMIENTO

63 PROCESOS DE FUNDICIÓN FUNDICION POR REVESTIMIENTO
Modelo hecho en escayola con un molde bivalvo Modelo de una manzana en cera de abeja El mismo modelo realizado en parafina

64 La escultura de bronce recién extraída, antes del acabado.
PROCESOS DE FUNDICIÓN FUNDICION POR REVESTIMIENTO La escultura de bronce recién extraída, antes del acabado. Molde macizo de arcilla, parcialmente abierto

65 PROCESOS DE FUNDICIÓN FUNDICION CON MOLDES DE YESO Y DE CERAMICA
El molde esta hecho de yeso (CaSO4-2H2O) en vez de arena. Se recomiendan modelos de plástico o metal, más no de madera porque son insatisfactorios debido al contacto largo con el agua y el yeso durante el reposo. Ventajas: buen acabado de las superficies, exactitud dimensional y fabricar fundidos de sección transversal delgada. Una de las desventaja es la cura del molde de yeso, al menos en producciones elevadas. Primero debe permanecer en reposo 20 min antes de retirar el modelo, luego se hornea varias horas para retirar la humedad. Otra desventaja es que no es permeable, y no resisten altas temperaturas como los de arena.

66 PROCESOS DE FUNDICIÓN FUNDICION CON MOLDES DE YESO Y DE CERAMICA

67 PROCESOS DE FUNDICIÓN FUNDICION CON MOLDES DE YESO Y DE CERAMICA

68 PROCESOS DE FUNDICIÓN PROCESOS BASICOS CON MOLDES PERMANENTES
Están formados como básico de dos secciones diseñadas para facilitar la apertura y cierre del molde. Están hechos de acero o hierro fundido y se utilizan para fundir aluminio, magnesio, aleaciones a base de cobre, no son recomendables para hierro colado por las altas temperaturas de vertido 1250°C. Las ventajas incluyen el buen acabado de la superficie y control dimensional estrecho, además la solidificación más rápida entre estructura de grano fino, la limitante esta en que las piezas deben ser más sencillas que la fundición en arena, debido a que hay que abrir el molde y lo caro del molde.

69 PROCESOS DE FUNDICIÓN PROCESOS BASICOS CON MOLDES PERMANENTES

70 PROCESOS DE FUNDICIÓN PROCESOS BASICOS CON MOLDES PERMANENTES

71 PROCESOS DE FUNDICIÓN PROCESOS BASICOS CON MOLDES PERMANENTES
Fundición en hueco. El fundido hueco se forma por medio de la inversión del molde después de la solidificación parcial de la superficie a fin de drenar el metal liquido del centro. El espesor se controla con el tiempo antes del drenado. Se utilizar en metales con bajos puntos de fusión plomo, zinc y estaño, para realizar piezas huecas de importante apariencia exterior.

72 PROCESOS DE FUNDICIÓN PROCESOS BASICOS CON MOLDES PERMANENTES
Fundición a baja presión. El metal no se introduce al molde por gravedad, se utiliza una baja presión 0.1 Mpa (15 lb/in2) desde abajo. Ventaja. el metal que se introduce al molde viene limpio sin haber estado expuesto al medio exterior, minimizando defectos de porosidad por gas, oxidación y mejorar las propiedades mecánicas.

73 Ing. Edwin Alvarez V. Procesos de Fabricación
PROCESOS DE FUNDICIÓN Fundición a baja presión. Ing. Edwin Alvarez V Procesos de Fabricación

74 PROCESOS DE FUNDICIÓN PROCESOS BASICOS CON MOLDES PERMANENTES
Fundición al vacío. Es una variación de baja presión, en la cual se crea un vacío para impulsar el metal derretido hacia la cavidad del molde. La diferencia esta en que se utiliza la presión reducida del aire desde el vacío del molde para llevar el metal liquido hacia la cavidad. La ventaja comparada con el de baja presión es que se reduce la porosidad por aire y se da mayor resistencia al producto fundido.

75 PROCESOS DE FUNDICIÓN PROCESOS BASICOS CON MOLDES PERMANENTES
Fundición con troquel. Se inyecta el metal fundido a alta presión (7 a 350 Mpa – a lb/in2) en la cavidad del molde. La presión se mantiene durante la solidificación después se abre el molde y se retira la pieza. Hay dos tipos principales de máquina para fundición con troquel: cámara caliente y cámara fría.

76 PROCESOS DE FUNDICIÓN Cámara caliente

77 PROCESOS DE FUNDICIÓN Cámara caliente

78 Ing. Edwin Alvarez V. Procesos de Fabricación
PROCESOS DE FUNDICIÓN Cámara fría. Ing. Edwin Alvarez V Procesos de Fabricación

79 PROCESOS DE FUNDICIÓN PROCESOS BASICOS CON MOLDES PERMANENTES
Ventajas de la fundición con troquel. Son posible tasas elevadas de producción. Es económica para cantidades grandes de producción. Se pueden tener tolerancias estrechas para piezas pequeñas (±0.076 mm) Buen acabado superficial Son posibles secciones delgadas 0.5 mm El enfriamiento rápido proporciona un tamaño de grano pequeño y buena resistencia al fundido. Desventaja Restricción de forma, es decir la forma que debe tener la pieza se debe poder retirar del molde

80 PROCESOS DE FUNDICIÓN PROCESOS BASICOS CON MOLDES PERMANENTES
FUNDICION CENTRIFUGA Se vierte metal fundido en un molde rotatorio para producir la pieza. El molde gira a gran velocidad de modo que la fuerza centrifuga distribuye el metal derretido a las regiones externas de la cavidad del troquel. Fundición centrifuga horizontal Fundición centrifuga vertical

81 PROCESOS DE FUNDICIÓN 1. FUNDICION CENTRIFUGA
Fundición centrifuga horizontal

82 Ing. Edwin Alvarez V. Procesos de Fabricación
PROCESOS DE FUNDICIÓN 1. FUNDICION CENTRIFUGA REAL Fundición centrifuga vertical Ing. Edwin Alvarez V Procesos de Fabricación

83 Ing. Edwin Alvarez V. Procesos de Fabricación
CALIDAD DEL FUNDIDO DEFECTOS DE FUNDICIÓN Ing. Edwin Alvarez V Procesos de Fabricación

84 Ing. Edwin Alvarez V. Procesos de Fabricación
CALIDAD DEL FUNDIDO DEFECTOS DE FUNDICIÓN EN ARENA Ing. Edwin Alvarez V Procesos de Fabricación

85 CALIDAD DEL FUNDIDO METODOS DE INSPECCIÓN
Inspección visual (detectar defectos) Mediciones dimensionales para garantizar que se cumplen las tolerancias. Pruebas metalúrgicas, químicas, físicas y de otro tipo. Pruebas de presión para localizar fugas Métodos radiográficos para detectar de superficiales y interiores. Pruebas mecánicas para determinada propiedades del fundido. Tracción, dureza. flexión.

86 CALIDAD DEL FUNDIDO CONSIDERACIONES SOBRE EL DISEÑO DEL PRODUCTO
Sencillez geométrica. Evitar complejidades innecesarias y simplificar la fabricación del molde. Esquinas. Evitar esquinas y ángulos agudos. Espesores de sección. Tratar de manejare espesores uniformes y evitar las secciones gruesas. Inclinación. Se recomiendan para extraer el moldelo de 1°- 3°. Uso de núcleos. Tratar en lo posible de no utilizarlos. Tolerancias dimensionales. Dependerán del proceso de fundición, y entregan la exactitud dimensional. Acabado de las superficies. En arena la rugosidad es 6 m, en cerámico es 0.75 m, en moldes permanentes 1 m

87 PROCESOS DE FUNDICIÓN MODELOS PARA FUNDICION ARENA.