Fundición (metalurgia)

Metal fundido antes de fundición

Fundición de hierro en un molde de arena

En la metalurgia y la fabricación de joyas, la fundición es un proceso en el que se introduce un metal líquido en un molde (normalmente mediante un crisol) que contiene una impresión negativa (es decir, una imagen negativa tridimensional) de la forma prevista. 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). La fundición se usa con mayor frecuencia para hacer formas complejas que serían difíciles o poco económicas de hacer con otros métodos.

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 fundiciones 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 de petróleo, electrodomésticos, tuberías, hidrantes, turbinas eólicas, plantas nucleares, dispositivos médicos, productos de defensa, juguetes y más.

Las técnicas tradicionales incluyen la fundición a la cera perdida (que puede dividirse en fundición centrífuga y fundición por vertido directo asistida por vacío), fundición en molde 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 por el material del molde, como arena o metal, y el método de vertido, como la gravedad, el vacío o la baja presión.

Fundición de moldes desechables

La fundición en molde desechable es una clasificación genérica que incluye molduras de arena, plástico, cáscara, yeso y inversión (técnica de cera perdida). Este método de fundición en molde implica el uso de moldes temporales no reutilizables.

Fundición en arena

La fundición en arena es uno de los tipos de fundición más populares y sencillos, y se ha utilizado durante siglos. La fundición en arena permite lotes más pequeños que la fundición en molde permanente ya un costo muy razonable. Este método no solo permite a los fabricantes crear productos a bajo costo, sino que también ofrece otros beneficios para la fundición en arena, como operaciones de tamaño muy pequeño. El proceso permite piezas fundidas lo suficientemente pequeñas como para caber en la palma de la mano hasta piezas lo suficientemente grandes como para la plataforma de un vagón de tren (una pieza fundida puede crear la plataforma completa para un vagón de tren). La fundición en arena también permite fundir la mayoría de los metales según el tipo de arena utilizada para los moldes.

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 a 20 piezas/hora-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 peso parcial práctico de 2300 a 2700 kg (5100 a 6000 lb). El peso mínimo de la pieza oscila entre 0,075 y 0,1 kg (0,17–0,22 lb). La arena se une con arcillas, aglutinantes químicos o aceites polimerizados (como el aceite de motor). La arena se puede reciclar muchas veces en la mayoría de las operaciones y requiere poco mantenimiento.

Moldura marga

El moldeado 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 camisa). El molde 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 verter el metal fundido. 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 en molde de yeso

La fundición de yeso es similar a la fundición en arena, excepto que se utiliza yeso de París en lugar de arena como material de molde. Por lo general, se tarda menos de una semana en preparar el formulario, después de lo cual se logra una tasa de producción de 1 a 10 unidades/hora-molde, con artículos tan grandes como 45 kg (99 lb) y tan pequeños como 30 g (1 oz) con muy buen acabado superficial y estrechas tolerancias. La fundición de yeso es una alternativa económica a otros procesos de moldeo para piezas complejas debido al bajo costo del yeso y su capacidad para producir piezas fundidas con una 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.

Moldeado de cáscara

El moldeado en cáscara es similar al moldeado en arena, pero la cavidad de moldeo está formada por una "cáscara" endurecida; de arena en lugar de un frasco lleno de arena. La arena que se utiliza es más fina que la arena para moldear en arena y se mezcla con una resina para que el patrón pueda calentarla y endurecerla hasta formar una capa alrededor del patrón. Debido a la resina y 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.

Casting de inversión

Cubierta de válvula de inversión

La fundición de inversión (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 que se conocen. Desde hace 5000 años, cuando la cera de abejas formaba el patrón, hasta las ceras de alta tecnología, los materiales refractarios y las aleaciones especializadas de hoy en día, las fundiciones aseguran que se produzcan componentes de alta calidad con los beneficios clave de precisión, repetibilidad, versatilidad e integridad..

La fundición de inversión deriva su nombre del hecho de que el modelo 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 de las ventajas del moldeo por inversión es que la cera se puede reutilizar.

El proceso es adecuado para la producción repetible de componentes de forma neta de una variedad de diferentes metales y aleaciones de alto rendimiento. Aunque generalmente se utiliza para piezas de fundición pequeñas, este proceso se ha utilizado para producir marcos completos de puertas de aviones, con piezas de fundición de acero de hasta 300 kg y piezas de fundición 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 de inversión pueden incorporar contornos intrincados y, en la mayoría de los casos, los componentes se funden casi en su forma neta, por lo que requieren poco o ningún reproceso una vez fundidos.

Residuos de moldeo de yeso

Un intermedio de yeso duradero se utiliza a menudo como etapa hacia 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 que se agriete. 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 patrón, y como tal trabajo se considera un proceso técnico, más que artístico, incluso puede posponerse más allá de la vida. del artista

En el moldeado de residuos, se vierte un molde de yeso simple y delgado, reforzado con sisal o arpillera, sobre la mezcla original de arcilla. Una vez curado, se retira de la arcilla húmeda, destruyendo incidentalmente los detalles finos en las socavaduras presentes en la arcilla, pero que ahora están capturadas en el molde. Luego, 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

Esta es una clase de procesos de fundición que utiliza 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 a la espuma perdida y la fundición en molde completo.

Fundición de espuma perdida

El moldeo por espuma perdida es un tipo de proceso de moldeo por evaporación que es similar al moldeo por 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 microfusión al eliminar la necesidad de derretir la cera fuera del molde.

Fundición en molde completo

La fundición de molde completo es un proceso de fundición de patrón evaporativo que es una combinación de fundición en arena y fundición de espuma perdida. Utiliza un patrón de espuma de poliestireno expandido que luego se rodea de arena, al igual que la fundición en arena. Luego, el metal se vierte directamente en el molde, que vaporiza la espuma al contacto.

Fundición de moldes no fungibles

El proceso de moldeo permanente

La fundición de moldes no fungibles se diferencia de los procesos fungibles en que no es necesario reformar el molde después de cada ciclo de producción. Esta técnica incluye al menos cuatro métodos diferentes: fundición permanente, matriz, centrífuga y continua. Esta forma de fundición también da como resultado una mejor repetibilidad en las piezas producidas y ofrece resultados de forma casi netos.

Fundición en molde permanente

La fundición en molde permanente es un proceso de fundición de metal 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, llamado fundición en aguanieve, produce piezas fundidas huecas. Los metales de fundición comunes son las aleaciones de aluminio, magnesio y cobre. Otros materiales incluyen estaño, zinc y aleaciones de plomo, y el hierro y el acero también se funden en moldes de grafito. Los moldes permanentes, aunque duran más de una fundición, todavía tienen una vida limitada antes de desgastarse.

Fundición a presión

El proceso de fundición a presión fuerza el metal fundido a alta presión en las cavidades del molde (que se mecanizan en matrices). La mayoría de las piezas fundidas a presión están hechas de metales no ferrosos, específicamente aleaciones a base de zinc, cobre y aluminio, pero las piezas fundidas a presión de metales ferrosos son posibles. El método de fundición a presión es especialmente adecuado para aplicaciones en las que se necesitan muchas piezas de tamaño pequeño a mediano con buenos detalles, una calidad de superficie fina y consistencia dimensional.

Fundición de metal semisólido

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 suspensión semisólida en matrices de acero endurecido reutilizables. La alta viscosidad del metal semisólido, junto con el uso de condiciones de llenado de troquel controladas, asegura que el metal semisólido llene el troquel de una manera no turbulenta para que la porosidad dañina pueda eliminarse esencialmente.

Usadas comercialmente principalmente para aleaciones de aluminio y magnesio, las piezas fundidas de SSM se pueden tratar térmicamente con temples T4, T5 o T6. La combinación de tratamiento térmico, velocidades de enfriamiento rápidas (por el uso de troqueles de acero sin recubrimiento) y porosidad mínima proporciona excelentes combinaciones de resistencia y ductilidad. Otras ventajas de la fundición SSM incluyen la capacidad de producir formas netas de piezas con formas complejas, hermeticidad a la presión, tolerancias dimensionales estrechas y la capacidad de moldear paredes delgadas.

Fundición centrífuga

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 es expulsado hacia la periferia.

La fundición centrífuga es independiente tanto de la gravedad como de la presión, ya que crea su propia alimentación forzada mediante un molde de arena temporal que se mantiene en una cámara giratoria. El tiempo de entrega varía según la aplicación. El procesamiento centrífugo real y semicentrífugo permite producir de 30 a 50 piezas/hora de molde, 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.

Desde el punto de vista industrial, 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.

Lanzamiento continuo

La colada continua es un refinamiento del proceso de colada para la producción continua de alto volumen de secciones de metal con una sección transversal constante. Se utiliza principalmente para producir productos semiacabados para su posterior procesamiento. El metal fundido se vierte en un molde abierto refrigerado por agua, lo que permite una 'piel' de metal sólido para formar sobre el centro aún líquido, solidificando gradualmente el metal de afuera hacia adentro. Después de la solidificación, la hebra, como a veces se le llama, se retira continuamente del molde. Se pueden cortar longitudes predeterminadas de la hebra mediante cizallas mecánicas o sopletes de oxiacetileno móviles y transferirlos a otros procesos de formación oa una pila de reserva. Los tamaños de fundición pueden variar desde tiras (unos pocos milímetros de espesor por unos cinco metros de ancho) hasta palanquillas (90 a 160 mm cuadrados) y losas (1,25 m de ancho por 230 mm de espesor). En ocasiones, la hebra puede sufrir un proceso inicial de laminación en caliente antes de ser cortada.

La colada continua se utiliza debido a los costos más bajos asociados con la producción continua de un producto estándar y también a la mayor calidad del producto final. Metales como el acero, el cobre, el aluminio y el plomo son colados en continuo, siendo el acero el metal con mayores tonelajes colados por este método.

Actualización

El upcasting (upcasting, upstream, o upcasting) es un método de colada continua vertical u horizontal de varillas y tuberías de varios perfiles (cilíndricos, cuadrados, hexagonales, losas, etc.) de 8 a 30 mm de diámetro.. Se suelen utilizar aleaciones de cobre (Cu), bronce (aleación Cu·Sn), níquel por su mayor velocidad de colada (en caso de colada vertical) y por las mejores características físicas obtenidas. La ventaja de este método es que los metales están casi libres de oxígeno y que la tasa de cristalización (solidificación) del producto se puede ajustar en un cristalizador, un dispositivo resistente a altas temperaturas que enfría una varilla o tubería de metal en crecimiento mediante el uso de agua.

El método es comparable al método Czochralski de crecimiento de cristales de silicio (Si), que es un metaloide.

Terminología

Los procesos de fundición de metales utilizan la siguiente terminología:

• Patrón: Un duplicado aproximado de la fundición final utilizada 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 vertirá el material de fundición.
• Flask: La madera rígida o el marco metálico que sostiene el material de moldeo.
  • Cope: La mitad superior del patrón, frasco, molde o núcleo.
  • Arrastre: La mitad inferior del patrón, frasco, molde o núcleo.
• Core: Una inserción en el molde que produce características internas en la fundición, como agujeros.
  • Impreso básico: La región agregó al patrón, núcleo o molde utilizado para localizar y apoyar el núcleo.
• Cavidad moldeada: El área abierta combinada del material de moldeo y el núcleo, donde se vierte el metal para producir la fundición.
• Riser: Un vacío extra en el molde que llena con material fundido para compensar la contracción durante la solidificación.
• Sistema de puntuación: La red de canales conectados que entregan el material fundido a las cavidades de molde.
  • Pouring cup or pour la cuenca: La parte del sistema de gating que recibe el material fundido del vaso de verter.
  • Esparcimiento: La copa de vertido se adhiere al estribo, que es la parte vertical del sistema de comercialización. El otro extremo de la lanza se une a los corredores.
  • Corredores: La porción horizontal del sistema de fijación que conecta las virutas a las puertas.
  • Puertas: Las entradas controladas de los corredores en las cavidades de molde.
• Vents: Canales adicionales que proporcionan un escape para los gases generados durante el vertido.
• Línea de separación o superficie de separación: La interfaz entre las mitades de carga y arrastrar del molde, el frasco o el patrón.
• Borrador: El grabador en la fundición o patrón que permite que se retire del molde
• Caja de núcleo: El molde o la muerte solían producir los núcleos.
• Chaplet: Barra de sujeción vertical larga para núcleo que después de fundición se convierte en la parte integral de la fundición, proporcionar el soporte al núcleo.

Algunos procesos especializados, como la fundición a presión, utilizan terminología adicional.

Teoría

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 ocurren durante la solidificación, como la porosidad por gas y la contracción de solidificación.

La solidificación ocurre en dos pasos: nucleación y crecimiento de cristales. En la etapa de nucleación, se forman partículas sólidas dentro del líquido. Cuando se forman estas partículas, su energía interna es menor que la del líquido que las rodea, lo que crea una interfaz de energía entre los dos. La formación de la superficie en esta interfaz requiere energía, por lo que cuando se produce la nucleación, el material en realidad se subenfría (es decir, se enfría por debajo de su temperatura de solidificación) debido a la energía adicional necesaria para formar las superficies de la interfaz. Luego vuelve a la calescencia, o se vuelve a calentar hasta su temperatura de solidificación, para la etapa de crecimiento del cristal. La nucleación ocurre 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 fundidas de grano fino poseen mejores propiedades que las piezas fundidas de grano grueso. Se puede inducir una estructura de grano fino mediante refinamiento de grano o inoculación, que es el proceso de agregar impurezas para inducir la nucleación.

Todas las nucleaciones representan un cristal, que crece a medida que el calor de fusión se extrae del líquido hasta que no queda líquido. La dirección, la velocidad y el tipo de crecimiento se pueden controlar para maximizar las propiedades de la fundición. La solidificación direccional es cuando el material se solidifica en un extremo y procede a solidificarse en el otro extremo; este es el tipo más ideal de crecimiento de grano porque permite que el material líquido compense la contracción.

Curvas de enfriamiento

Tasas intermedias de refrigeración por derretimiento resultan en una microestructura dendriática. Los dendritos primarios y secundarios se pueden ver en esta imagen.

Las curvas de enfriamiento son importantes para controlar la calidad de una fundición. La parte más importante de la curva de enfriamiento es la tasa 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 terminología definitoria.

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 convierte de líquido a sólido. Además, tenga en cuenta que cuanto mayor es el sobrecalentamiento, más tiempo hay para que el material líquido fluya en detalles intrincados.

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 un paro térmico, sino un rango de congelación. El rango de congelación corresponde directamente al liquidus y solidus que se encuentran en el diagrama de fase para la aleación específica.

Regla de Chvorinov

El tiempo de solidificación local se puede calcular utilizando la regla de Chvorinov, que es:

t=B()VA)n{displaystyle ¿Qué?

Donde t es el tiempo de solidificación, V es el volumen de la fundición, A es el área superficial de la fundición 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 mazarota se solidificará antes de la colada, porque si la mazarota se solidifica primero, entonces no vale nada.

El sistema de puertas

Un sistema de fijación simple para un molde de partición horizontal.

El sistema de inyección 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 la escoria atrapada. Las compuertas generalmente se unen a la parte más gruesa de la fundición para ayudar a controlar la contracción. En fundiciones especialmente grandes, se pueden requerir múltiples entradas o corredores para introducir metal en más de un punto en la cavidad del molde. La velocidad del material es importante porque si el material se desplaza demasiado despacio, puede enfriarse antes de llenarse por completo, lo que provoca fallos de funcionamiento y cierres en frío. Si el material se mueve demasiado rápido, el material líquido puede erosionar el molde y contaminar la fundición final. La forma y la longitud del sistema de compuerta también pueden controlar la rapidez con que se enfría el material; los canales cortos redondos o cuadrados minimizan la pérdida de calor.

El sistema de compuerta puede estar diseñado para minimizar la turbulencia, según el 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 a la turbulencia suelen tener un sistema de compuerta corto y abierto para llenar el molde lo más rápido posible. Sin embargo, para materiales sensibles a la turbulencia 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 gas y óxidos hacia el interior del molde. Se utiliza un bebedero grande para disipar la energía cinética del material líquido a medida que cae por el bebedero, lo que reduce la turbulencia. El estrangulador, que es el área de sección transversal más pequeña en el sistema de compuerta que se usa para controlar el flujo, se puede colocar cerca del pozo del bebedero para reducir la velocidad 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. Las compuertas suelen estar unidas a la parte inferior de la fundición para minimizar la turbulencia y las salpicaduras.

El sistema de compuerta también puede estar diseñado para atrapar escoria. Un método es aprovechar el hecho de que parte de la escoria tiene una densidad más baja que el material base, por lo que flota hacia la parte superior del sistema de compuertas. 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 planas largas enfriarán el material más rápidamente que las guías redondas o cuadradas. Para materiales en los que la escoria tiene una densidad similar a la del material base, como el aluminio, las extensiones de canal y los pozos de canal pueden resultar ventajosos. Estos aprovechan el hecho de que la escoria generalmente se encuentra al comienzo del vertido, por lo tanto, el corredor se extiende más allá de la(s) última(s) compuerta(s) y los contaminantes quedan contenidos en los pozos. También se pueden usar mallas o filtros para atrapar contaminantes.

Es importante mantener pequeño el tamaño del sistema de compuertas, ya que se debe cortar todo de la fundición y volver a fundir para volver a utilizarlo. 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 puertas/elevadores.

Contracción

Hay tres tipos de contracción: contracción del líquido, contracción de solidificación y contracción del patronista. 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 líquidos que como sólidos, por lo que durante la solidificación la densidad del metal aumenta drásticamente. La contracción del creador de patrones se refiere a la contracción que se produce cuando el material se enfría desde la temperatura de solidificación hasta la temperatura ambiente, lo que se produce debido a la contracción térmica.

Contracción por solidificación

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 encogen al solidificarse, el tipo de contracción depende de qué tan amplio sea el rango de congelación del material. Para los materiales con un rango de congelación estrecho, menos de 50 °C (122 °F), se forma una cavidad, conocida como tubo, en el centro de la fundición, porque la capa exterior se congela primero y progresivamente. solidifica 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. Para materiales con un amplio rango de congelación, superior a 110 °C (230 °F), mucho más de la fundición ocupa la zona blanda o slushy (el rango de temperatura entre la solidus y liquidus), lo que conduce a pequeñas bolsas de líquido atrapadas y, en última instancia, a la porosidad. Estas fundiciones tienden a tener poca ductilidad, tenacidad y resistencia a la fatiga. Además, para que este tipo 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.

Para los materiales que tienen rangos de solidificación estrechos, las tuberías pueden superarse 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 se solidifica el material final, pero si se diseña correctamente, estará en el sistema de compuerta o elevador.

Tirantes y ayudas para los tramos

Diferentes tipos de elevadores

Los elevadores, también conocidos como alimentadores, son la forma más común de proporcionar solidificación direccional. Suministra metal líquido a la fundición de solidificación para compensar la contracción de solidificación. Para que una mazarota funcione correctamente, la mazarota debe solidificarse después de la fundición; de lo contrario, no puede suministrar metal líquido para que se contraiga dentro de la fundición. Los elevadores agregan costo a la colada porque reducen el rendimiento de cada colada; es decir, se pierde más metal como chatarra en cada fundición. Otra forma de promover la solidificación direccional es agregar frío al molde. Un frío es cualquier material que alejará el calor de la fundición más rápidamente que el material utilizado para moldear.

Los risers se clasifican según tres criterios. La primera es si el elevador está abierto a la atmósfera, si lo está, entonces se llama elevador abierto, de lo contrario se conoce como tipo ciego. El segundo criterio es dónde se encuentra el elevador; si se encuentra en la pieza fundida, se denomina tubería superior y si se encuentra junto a la pieza fundida, se denomina tubería lateral. Finalmente, si el elevador está ubicado en el sistema de compuertas de modo que se llene después de la cavidad de moldeo, se lo conoce como contrahuella viva o contrahuella caliente, pero si el elevador se llena con materiales que ya han fluido a través de la cavidad de moldeo, se conoce como mazarota muerta o mazarota fría.

Las ayudas para contrahuellas son elementos que se utilizan para ayudar a las contrahuellas a crear solidificación direccional o reducir la cantidad de contrahuellas requeridas. Uno de estos elementos son los escalofríos que aceleran el enfriamiento en cierta parte del molde. Hay dos tipos: escalofríos externos e internos. Los enfriadores 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 enfriadores internos son piezas del mismo metal que se vierte, que se colocan dentro de la cavidad del molde y pasan a formar parte de la fundición. También se pueden instalar cubiertas y cubiertas aislantes alrededor de la cavidad de la tubería ascendente para retrasar la solidificación de la tubería ascendente. Los serpentines del calentador también se pueden instalar alrededor o por encima de la cavidad ascendente para retardar la solidificación.

El psiquiatra del creador de patrones

La contracción después de la solidificación se puede tratar con un patrón de gran tamaño diseñado específicamente para la aleación utilizada. Regla de contraccións, o regla de reduccións, son solía hacer los patrones sobredimensionados para compensar este tipo de encogimiento. Estas reglas tienen un sobredimensionamiento de hasta un 2,5 %, según el material que se va a fundir. Estas reglas se conocen principalmente por su cambio porcentual. Un patrón hecho para que coincida con una parte existente se haría de la siguiente manera: primero, la parte existente se mediría con una regla estándar, luego, al construir el patrón, el fabricante del patrón usaría una regla de contracción, asegurando que la fundición se contraería a la tamaño correcto

Tenga en cuenta que la contracción del creador de patrones 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.

Cavidad del molde

La cavidad del molde de una pieza fundida no refleja las dimensiones exactas de la pieza terminada debido a varias razones. Estas modificaciones a la cavidad del molde se conocen como tolerancias y representan la contracción, el desmoldeo, el mecanizado y la distorsión del fabricante de patrones. En los procesos no fungibles, estas tolerancias se imparten directamente al molde permanente, pero en los procesos de moldes fungibles se imparten a los patrones, que luego forman la cavidad del molde. Tenga en cuenta que para los moldes no fungibles se requiere un margen para el cambio dimensional del molde debido al calentamiento a las temperaturas de funcionamiento.

Para las superficies de la fundición que son perpendiculares a la línea de separación 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 liberar 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 el patrón del molde, el patrón o el material de la pieza, el material del molde y el tipo de proceso. Por lo general, el calado no es inferior al 1%.

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 borrador puede proporcionar suficiente margen de mecanizado para empezar.

El margen de distorsión solo es necesario para ciertas geometrías. Por ejemplo, las piezas fundidas en forma de U tenderán a distorsionarse con las patas abiertas hacia afuera, porque la base de la forma puede contraerse mientras las patas están restringidas por el molde. Esto se puede solucionar diseñando la cavidad del molde para que la pata se incline hacia adentro, para empezar. Además, las secciones horizontales largas tienden a combarse en el medio si no se incorporan las nervaduras, por lo que es posible que se requiera un margen de distorsión.

Los núcleos se pueden usar en procesos de moldes desechables para producir características internas. El núcleo puede ser de metal pero normalmente se hace en arena.

Relleno

Esquema del proceso de moldeo permanente de baja presión

Hay algunos métodos comunes para llenar la cavidad del molde: gravedad, baja presión, alta presión y vacío.

El llenado por vacío, también conocido como llenado por contragravedad, 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 activación puede simplificarse 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 estos 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. La primera máquina y proceso de fundición al vacío patentados data de 1879.

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 fundición se ha solidificado, se libera la presión y cualquier líquido restante regresa al crisol, lo que aumenta el rendimiento.

Relleno basculante

Tiltfill, también conocido como tilt casting, es una técnica de llenado poco común en la que el crisol se conecta al sistema de inyección y ambos se giran lentamente para que el metal entre 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 por inclinación no es factible debido al siguiente problema inherente: si el sistema gira lo suficientemente lento como para no inducir turbulencias, el frente de la corriente de metal comienza a solidificarse, lo que resulta en errores de ejecución. Si el sistema gira más rápido, induce turbulencia, lo que anula el propósito. Durville de Francia fue el primero en probar la fundición inclinada, en el siglo XIX. Trató de usarlo para reducir los defectos de la superficie al fundir monedas de bronce de aluminio.

Macroestructura

La macroestructura del grano en los lingotes y la mayoría de las piezas fundidas tiene tres regiones o zonas distintas: la zona de enfriamiento, 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 de la fundición. Estas son columnas largas y delgadas que son perpendiculares a la superficie de fundición, que no son deseables porque tienen propiedades anisotrópicas. Finalmente, en el centro, la zona equiaxial contiene cristales esféricos orientados al azar. 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.

Inspección

Los métodos de inspección comunes para fundiciones de acero son pruebas de partículas magnéticas y pruebas de líquidos penetrantes. Los métodos de inspección comunes para las fundiciones de aluminio son radiografía, pruebas ultrasónicas y pruebas de líquidos penetrantes.

Defectos

Hay una serie de problemas que se pueden encontrar durante el proceso de casting. Los tipos principales son: porosidad de gas, defectos de contracción, defectos de material del molde, defectos de metal colado y defectos metalúrgicos.

Simulación del proceso de fundición

Un software de alto rendimiento para la simulación de procesos de fundición ofrece oportunidades para una evaluación interactiva o automatizada de resultados (aquí, por ejemplo, de llenado de moldes y solidificación, porosidad y características de flujo).

La simulación del proceso de fundición utiliza métodos numéricos para calcular la calidad de los componentes fundidos teniendo en cuenta el llenado, la solidificación y el enfriamiento del molde, y proporciona una predicción cuantitativa de las propiedades mecánicas, las tensiones térmicas y la distorsión de la fundición. La simulación describe con precisión la calidad de un componente fundido por adelantado 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 previo a la producción, ya que el diseño preciso del sistema de fundición completo también genera ahorros de energía, materiales 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 creación de patrones y moldes, el tratamiento térmico y el acabado. Esto ahorra costos 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 EE. UU., y se considera la innovación más importante en la tecnología de fundición en los últimos 50 años. Desde finales de la década de 1980, existen programas comerciales disponibles que hacen posible que las fundiciones obtengan nuevos conocimientos sobre lo que sucede dentro del molde o troquel durante el proceso de fundición.